اختراق في التناضح العكسي قد يؤدي إلى تحلية مياه البحر الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة من أي وقت مضى

(أخبار نانويرك) جعل المياه العذبة من مياه البحر عادة ما يتطلب كميات هائلة من الطاقة. وتسمى العملية الأكثر انتشارا لتحلية المياه التناضح العكسي، الذي يعمل عن طريق تدفق مياه البحر فوق غشاء تحت ضغط عال لإزالة المعادن.

الآن، طور مهندسو جامعة بوردو متغيرا من العملية يسمى "التناضح العكسي الدفعي"، والذي يعد بكفاءة أفضل في استخدام الطاقة، ومعدات أطول أمدا، والقدرة على معالجة المياه ذات الملوحة الأعلى بكثير. ويمكن أن ينتهي الأمر بصانع فرق في الأمن المائي في جميع أنحاء العالم.

ويستخدم التناضح العكسي في العديد من البلدان؛ في الأماكن القاحلة مثل الشرق الأوسط، يأتي أكثر من نصف إمدادات مياه الشرب العذبة من مرافق تحلية المياه. ولكن للحفاظ على مستوى عال من الضغط المطلوب لهذه العملية - ما يصل إلى 70 مرة الضغط الجوي - يجب على محطة تحلية المياه استخدام أعداد كبيرة من المضخات وغيرها من المعدات. وهذا يستخدم الكثير من الطاقة.

وقال ديفيد وارسنجر، أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية في بوردو، "إن حوالي ثلث تكلفة محطة تحلية المياه مدى الحياة هي الطاقة. وحتى التحسينات الصغيرة في العملية – بضع نقاط مئوية من الفرق – يمكن أن توفر مئات الملايين من الدولارات وتساعد على إبقاء ثاني أكسيد الكربون بعيدا عن الغلاف الجوي".

خلال عمله في الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، طور وارسنجر لأول مرة فكرة "التناضح العكسي الدفعي". وبدلا من الإبقاء على تدفق مستمر لمياه البحر عند مستويات الضغط العالي تلك، تأخذ عملية الدفعة كمية محددة من المياه في وقت واحد؛ يعالج ذلك؛ التفريغ؛ ثم كرر العملية مع الدفعة التالية.

وقال وارسنجر " ان كل دفعة تعمل لمدة تى ت خلال دقيقة الى دقيقتين تقريبا " . "نحن نزيد الضغط مع مرور الوقت، ونخفض الحجم بمرور الوقت، وينتهي الأمر باستخدام طاقة أقل بكثير لإنتاج نفس الكمية من المياه العذبة."

يقوم طالبان الدراسات العليا أبهيمانو داس (إلى اليسار) وأكشاي راو بتعديل خزان مكبس، وهو المكون الرئيسي لعملية تحلية جديدة تسمى "التناضح العكسي الدفعي المزدوج". (الصورة: جاريد بايك، جامعة بوردو)                

وعلى الرغم من أن بعض محطات تحلية المياه حاولت استخدام تقنيات نصف الصيد، إلا أن أيا منها لم ينفذ نظاما دفعي كاملا - ويرجع ذلك جزئيا إلى فترات الراحة الزمنية بين الدفعات.

وقال وارسنجر : "يستغرق ضخ كل دفعة من المياه وقتا وطاقة، ثم ضخ الدفعة التالية من المياه للمعالجة. "إنفاق هذا الوقت والطاقة يلغي عموما مكاسب الكفاءة التي ستحصل عليها من استخدام عملية الدفعة. لهذا السبب قمنا بتطوير حل يسمى "التناضح العكسي الدفعي المزدوج".

مكبس مزدوج الخدمة

تستخدم هذه العملية الجديدة خزان مكبس — وعاء الضغط العالي مع مكبس في الوسط. في حين أن أحد جانبي المكبس يرسل مياه البحر إلى الأمام في حلقة المعالجة ، فإن الجانب الآخر من المكبس يمتلئ في وقت واحد بالدفعة التالية من مياه البحر في قائمة الانتظار. عندما تنتهي عملية دفعة واحدة ، يحقن المكبس بسلاسة الدفعة التالية من مياه البحر في النظام بينما يملأ جانبه الآخر في نفس الوقت بالدفعة التالية من مياه البحر في قائمة الانتظار ، وتتكرر العملية باستمرار.

وقال وارسنجر " بدلا من افراغ المكبس بالكامل فى كل مرة او استخدام سائل او غاز اخر للضغط على المكبس ، فاننا نملأه بالدفعة القادمة من مياه البحر " . "لذا بدلا من أن يكون جانب واحد من المكبس مساحة ميتة أساسا، فإننا نستخدم مياه البحر نفسها للحصول على واجب مزدوج للخروج من هذا المكبس، لذلك ليس هناك تقريبا أي توقف.

"وفقا لنماذجنا، يوفر هذا النظام المقترح أقل استهلاك للطاقة على الإطلاق لتحلية مياه البحر. إنه معلم من أفضل المعالم في فئتها.

وقد نشرت أبحاثهم فيتحليه المياه("مزدوجة المفعول دفعة تكوين التناضح العكسي لتحقيق الكفاءة الأفضل في فئتها وانخفاض وقت التوقف ").

قالت ساندرا قرطبة، طالبة الماجستير في الهندسة الميكانيكية والمؤلفة الأولى للورقة: "التوقف عن العمل هو في الحقيقة شيء تريد تجنبه. "إذا كان لديك لخدمة النظام بعد كل دورة، تفقد كل ما تبذلونه من كفاءة الطاقة. الحد من أو القضاء على هذا التوقف هو الشيء الرئيسي الذي يجعل دفعة التناضح العكسي ممكن."

كما طورت قرطبة النماذج الهيدروليكية النظرية المستخدمة في الورق.

وقال قرطبة " ان التناضح العكسى عملية معقدة " . "لقياس نجاحها، عليك تتبع العديد من المتغيرات: ضغط المياه، والحجم، والملوحة، ونسبة الاسترداد، والوقت والطاقة. مع هذه النماذج، تمكنا من تحديد مقدار الضغط المناسب مع مرور الوقت لتحقيق أفضل النتائج باستخدام الحد الأدنى من الطاقة".

ما هو حجم خزان المكبس؟ ذلك يعتمد على حجم النظام.

"التناضح العكسي يعمل على مجموعة واسعة من المقاييس" ، وقال Warsinger. "الأسر في الهند غالبا ما يكون نظام التناضح العكسي الدقيق لمنزلهم، حيث يمكن أن تعقد في يديك. لتجاربنا، قمنا ببناء نظام نموذجي حيث خزان المكبس هو حول حجم طفاية حريق. في مصنع واسع النطاق، يمكن أن يكون طوله مائة قدم. ولكن جمال ذلك هو أنه ليس قطعة معقدة من المعدات. انها أساسا أنبوب، مع مكبس الماء ضيق في الوسط. لكن خزان المكبس يغير كل شيء".

وقد استخدم مختبر وارسنجر هذا التطوير الدفعي المزدوج المفعول لتغذية العديد من التطورات الجديدة في تحلية المياه. وقد نشر أبهيمانو داس، وهو طالب دكتوراه في الهندسة الميكانيكية من بوردو، بحثا يصف متغيرا من العملية يسمى "التناضح العكسي للتدفق المضاد للدفعة". من خلال إعادة تدوير تركيزات معينة من المياه على جانبي الغشاء، تظهر عملية داس على أنها عملية تحلية المياه الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة للمياه عالية الملوحة، بينما تتطلب مكونات أقل. وقد نشر طالب الماجستير في بوردو مايكل روجنبورغ بحثا يظهر أن مزيجا من التناضح العكسي الدفعي والطاقة المتجددة يمكن أن يوفر المياه العذبة إلى الحدود الكاملة التي يبلغ طولها 1954 ميلا بين الولايات المتحدة والمكسيك.

وقال وارسنجر: "الأمن المائي قضية ضخمة في جميع أنحاء العالم، والتي قضيت حياتي المهنية كلها أعمل عليها. "هذه النتائج مع دفعة التناضح العكسي هي مثيرة حقا. إذا خفضنا التكلفة قليلا، فإن تحلية المياه تصبح خيارا قابلا للتطبيق لمزيد من الأماكن. يمكن أن يكون تحويليا".