Новая технология очистки воды может помочь переработать даже очень соленую воду

Исследователи считают, что теоретический дизайн может быть наиболее доступным способом превратить соленую воду в чистую питьевую воду

Опубликовано

Поскольку изменение климата вызвало мегазасуху на юго-западе США, страна бьет тревожные рекорды. Уровень воды в озере Мид, которое обеспечивает водой миллионы людей, колеблется вблизи самого низкого уровня за всю историю. А в некоторых местах высыхающая река Колорадо, которая орошает около 5 миллионов акров сельскохозяйственных угодий и утоляет жажду более 40 миллионов человек, представляет собой просто пустыню и пыль.

Между тем, по состоянию на 2018 год около 80% сточных вод страны, включая воду, используемую в сельском хозяйстве, электростанциях и шахтах, сбрасывается обратно в мир, неочищенными и непригодными для использования, а это упущенная возможность. И хотя сегодняшние технологии очистки, в которых используется процесс, называемый обратным осмосом, по-прежнему являются наиболее экономичным и энергоэффективным способом очистки морской воды и соленых грунтовых вод, обычный обратный осмос не может обрабатывать сверхсоленую воду, содержащую в два раза больше соли. Содержание соли в океане. Поскольку запасы воды в США сокращаются (и становятся более солеными), страна больше не может позволить себе сбрасывать даже самые соленые источники обратно в мир.

Теперь в новом исследовании, опубликованном в журнале Desalination, члены исследовательского консорциума Национального альянса за водные инновации (NAWI) проанализировали новую форму обратного осмоса, называемую обратным осмосом с низким содержанием соли. Эти новые системы могут очищать даже очень соленую воду. Но конструкция настолько нова, что все еще остается теоретической.

Итак, чтобы узнать, как эти технологии могут конкурировать с другими вариантами очистки воды, исследовательская группа NAWI разработала математическую модель, которая могла бы с помощью суперкомпьютера быстро оценить стоимость, производительность чистой воды и энергопотребление более чем 130 000 потенциальных систем. конструкции. Их результаты показывают, что во многих случаях обратный осмос с низким содержанием солей может быть наиболее экономически эффективным выбором, потенциально снижая общую стоимость производства чистой воды до 63%.

«Конечная цель этого исследования — провести тщательную технико-экономическую оценку новой технологии, которая еще не была опробована в реальном мире, но имеет потенциал для обеспечения опреснения с высокой степенью восстановления воды», — сказал Адам Атиа, старший инженер Национальной лаборатории энергетических технологий и ведущий автор статьи.

Хотя в нескольких исследованиях оценивалась потенциальная стоимость и эффективность систем обратного осмоса с низким содержанием соли, это исследование предлагает более полный анализ их конструкции, работы и производительности. Чтобы лучше понять потенциальные возможности этих теоретических систем, команда использовала суперкомпьютер, чтобы отточить наиболее оптимальные и экономически эффективные конструкции. Затем они исследовали, как эти конструкции могут функционировать в сотнях тысяч сценариев (а не в нескольких).

Поскольку системы обратного осмоса с низким содержанием соли пропускают больше соли через каждую мембрану, им требуется меньше силы — и, следовательно, меньше энергии — для проталкивания воды. Но если сквозь него может просочиться больше соли, то, что неудивительно, полученная вода все равно будет слишком соленой, чтобы ее можно было пить. Для производства питьевой воды эта еще слишком соленая вода возвращается обратно на предыдущие мембранные ступени. Как только содержание соли станет достаточно низким, стандартный обратный осмос позаботится обо всем остальном, производя питьевую воду высокого качества.

Вся эта переработка усложняет систему. Итак, команде нужно было выяснить: сколько мембранных ступеней является оптимальным? Сколько циклов переработки необходимо? И сколько затрат и энергии добавляют эти петли? Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи могли бы индивидуально рассчитать, сколько чистой воды каждая конструкция может произвести из воды с разной концентрацией соли.

«Им потенциально потребуется очень, очень, очень много времени, чтобы решить эту проблему», — сказал Итан Янг, исследователь Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) и автор исследования. «Мы смогли сделать это за несколько минут с помощью высокопроизводительных вычислений».