Ny analyse viser antifouling-membraner, der reducerer omkostninger og energi i løbet af deres levetid

Højtydende vandfiltreringssystemer - nødvendige for at reducere vandknaphed - kan også reducere omkostninger og energiforbrug, finder en ny Northwestern University-ledet analyse.

I den nye undersøgelse udførte forskere en højniveauanalyse af membranfiltreringssystemer for at evaluere omkostninger, energiforbrug og drivhusgasemissioner forbundet med afsaltning og spildevandsbehandling. Forskerne undersøgte specifikt antifouling-membraner, et højtydende filtreringssystem, der modstår ophobning af forurenende stoffer.

Selvom smudsbestandige membraner kan koste flere penge, når de købes, koster de mindre i løbet af deres levetid end billigere, ikke-foul-resistente membraner, som kræver hyppig rengøring og skal udskiftes oftere. Faktisk fandt forskerne ud af, at kommunale spildevandsanlæg kunne bruge 43 % mere på bundmalingsmembraner til spildevandsrensning og op til tre gange mere på bundmalingsmembraner til afsaltning og stadig opretholde deres basisdriftsomkostninger.

Da aldrende infrastruktur og klimaændringer stresser vandforsyningerne, udforsker mange kommuner og forskere processer, herunder afsaltning og spildevandsbehandling, der kan øge vandtilgængeligheden fra mindre konventionelle vandressourcer, såsom brakvand. Investering i antifouling-membraner på forhånd kan hjælpe med at reducere omkostningerne ved disse typisk dyre behandlingssystemer.

"Med stigende vandknaphed bliver teknologier som afsaltning vigtigere end nogensinde," sagde Northwesterns Jennifer Dunn, der ledede arbejdet. "Men der er altid afvejninger mellem teknisk ydeevne og omkostninger. Et filtreringssystem kan have en fantastisk ydeevne, men hvis omkostningerne er for høje, vil folk ikke tage teknologien til sig. Vi håber, at vores modellering og analyse kan hjælpe med at guide forskning og udvikling."

Undersøgelsen blev offentliggjort den 15. august i tidsskriftet ACS ES&T Engineering . Det markerer den første internationalt medforfattede publicerede undersøgelse fra U.S.-Israel Collaborative Water-Energy Research Center (CoWERC), et globalt konsortium af forskningsinstitutioner, vandværker og private virksomheder, der udforsker nye løsninger på kritiske udfordringer ved energi-vand-forbindelsen .

Dunn er lektor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab ved Northwesterns McCormick School of Engineering og direktør for Center for Engineering Sustainability and Resilience. Sabyasachi Das og Margaret O'Connell, begge medlemmer af Dunns laboratorium, er avisens medforfattere.

I membranfiltreringssystemer fungerer en membran som en fysisk barriere mellem drikkevand og forurenende stoffer. Pumper presser vand gennem membranen, som er fyldt med mikro-, nano- eller endda mindre porer. Membranen fanger fine partikler, mens den tillader vandet at strømme gennem porerne.

Tilsmudsning opstår, når forurenende stoffer samler sig på membranens overflade, hvilket tilstopper porerne. Når en membran oplever tilsmudsning, er der behov for højere tryk for at pumpe vandet igennem. Til sidst bliver begroningen dog så omfattende, at membranen skal ryddes eller endda helt udskiftes. Energi og omkostninger forbundet med øget vandtryk, rengøring og udskiftning kan øge et behandlingsanlægs driftsomkostninger.

Derimod har antifouling-membraner specialiseret overfladekemi, der forhindrer forurenende stoffer i at ophobes. Dette fører til nedsat hyppighed af rengøring og en samlet forlænget levetid af membranen. I undersøgelsen fandt forskerne ud af, at forøgelse af membranens levetid var den mest indflydelsesrige faktor til at reducere driftsomkostningerne.

"Hele processen med afsaltning kredser om denne membran," sagde Dunn. "Alt, hvad vi kan gøre for at forbedre membranens levetid eller reducere omkostningerne til rengøring, vil hjælpe med at reducere omkostningerne til rent vand."

Dunn håber, at denne undersøgelse vil hjælpe politikere, beslutningstagere og operatører af vandbehandlingsanlæg til at indse, at vandbehandlingsanlæg kan tåle omkostningerne ved at bruge dyrere, mere effektive membraner. Dette gælder især for afsaltningsanlæg, hvoraf 65 % allerede bruger membranbaserede filtreringssystemer.

"Der er en tilbagebetaling i form af reduceret energiforbrug og reduceret hyppighed af at købe nye membraner," sagde Dunn. "Hvis vi vil bygge flere afsaltningsanlæg for at reducere vandmangel, vil vi gøre det på en måde, der ikke øger energiforbruget. Det hele hænger sammen." + Udforsk yderligere

Forkoagulering af polytitaniumchlorid til tilsmudsningskontrol af keramisk membran