Trykpåvirkning er ikke skyld i tilsmudsning af membraner, undersøgelse finder

Afsaltningsindustrien, en kritisk kilde til drikkevand i mange tørre områder, genererede mere end 13 milliarder dollar sidste år og forventes at fordobles inden for et årti. De fleste afsaltningsanlæg bruger i dag en proces kaldet omvendt osmose (RO), som tvinger vand gennem enorme ruller af membraner, efterlader saltet. En af de dyreste driftsmæssige udfordringer for sådanne anlæg er tilsmudsningen af ​​disse membraner med mikroorganismer.

Nu, forskning fra MIT tyder på en anden tilgang til at reducere antallet af tilsmudsninger og dermed forbedre effektiviteten af ​​RO-anlæg.

Den fremherskende idé i branchen har været, at det høje pres, RO kræver, er ansvarlig for den relativt høje tilsmudsningsgrad, sammenlignet med andre systemer såsom fremadgående osmose. Men MIT-undersøgelsen viser, at dette ikke er tilfældet, et fund, der åbner op for nye tilgange til at reducere fouling i RO. Forskningen, af Emily Tow '12, SM '14, PhD '17 og MIT professor John H. Lienhard V, blev for nylig offentliggjort i Journal of Membrane Science og præsenteret på 2017 AMTA/AWWA Membrane Technology Conference, hvor den modtog Student Best Paper Award.

Mange eksperter mener, at det høje tryk i et RO-system komprimerer de mikrobielle måtter, der vokser på membranerne, og at denne "komprimering" gør væksten meget sværere at fjerne. I modsætning, i lavtryks fremad osmose (FO) systemer, som er mindre energieffektive, men mere begroningsbestandige, den angiveligt løsere måtte menes at være lettere at rengøre af.

Imidlertid, disse mikrobielle måtter er generelt fulde af vand, som ikke komprimeres under RO-tryk, så "der er ingen god grund til, at højt tryk skulle forværre fouling, " siger Tow. Hun sammenligner mikroberne med en dykker:"Der er et stort tryk på bunden af ​​havet, men det får dig ikke til at holde dig til havbunden." Men hvis trykket ikke betyder noget, og strømningshastighederne gennem FO- og RO-systemer er ens, hvad kan forklare forskellen i begroningsmodstand?

Bugsere, som nu er ITRI-Rosenfeld postdoktor ved Lawrence Berkeley National Laboratory og vil være professor i maskinteknik ved Olin College næste år, udtænkt en ny tilgang til at isolere virkningerne af tryk fra virkningerne af andre forskelle mellem FO og RO. Hendes metode går ud på at betjene et FO-system, som bruger osmose til at trække vand gennem membraner, ved en række tryk op til 40 atmosfærer.

"Vi målte tilsmudsningsrater og rengøringsresultater, og endda optaget video af membranerne, der renses ved forskellige tryk, og vi fandt ingen effekt af pres, " siger hun. Mange højt citerede papirer hævdede, at pres var problemet, men tidligere forsøg varierede også koncentrationen af ​​opløsningen på bagsiden af ​​membranen ved varierende tryk. Ved at øge trykket på begge sider af et FO-system uden at ændre noget andet, MIT-undersøgelsen afslørede, at tryk alene ikke forværrer tilsmudsning eller hindrer rengøring.

Nu hvor højtryk - som er afgørende for at RO kan fungere - har vist sig ikke at påvirke tilsmudsning, forskere bør se efter andre grunde til, at processer som FO er mere begroningsbestandige og se, om de kan anvendes på RO, siger Tow.

"Iagttagelsen af, at fremadgående osmosemembraner er nemmere at rengøre, er ret robust, siger Lienhard, hvem er Abdul Latif Jameel professor i vand og mad og direktør for Center for rent vand og ren energi og for Abdul Latif Jameel World Water and Food Security Lab. Men den nye undersøgelse viser, at FO's tilsmudsningsmodstand "ikke er iboende til dets lave tryk. Forskellen skal relateres til andre faktorer, der potentielt kan overføres til RO. Det skal forstås, " han siger.

"Håbet er, at med yderligere arbejde, dette kunne gøre det lettere at rengøre RO-membraner, " siger han. I øjeblikket, afbødning af membranforurening er en væsentlig del af driftsudgifter uden energi på et RO-anlæg, som står for omkring en fjerdedel af omkostningerne til afsaltet vand. Enhver forbedring af tilsmudsningsmodstanden kan påvirke vandomkostningerne betydeligt.

Det er muligt, at forskellen i, hvordan begroning påvirker RO- og FO-membraner, har at gøre med membranens støttelag, som er bagsiden på det tynde, saltfiltrerende lag. I FO, vekselvirkninger mellem støttelaget og den koncentrerede opløsning, det berører, påvirker mønsteret af vandstrømmen gennem membranen, som dikterer måden, hvorpå foulants opbygges på membranoverfladen, Tow siger. Fremtidige RO-membraner kunne designes således, at tilsmudsning forekommer i et mønster, der ligner FO, eller endda et nyt mønster optimeret til nem rengøring.

Forbedring af evnen til at rense brugte membraner kan påvirke ikke kun vandomkostninger, men også pålideligheden af ​​afsaltningsanlæg, påpeger Lienhard. "Slukninger på grund af en algeopblomstring kan nogle gange afbryde vandforsyningen i dage eller uger i træk, " siger han. Forståelse af det grundlæggende ved begroning, herunder effekten af ​​tryk, muliggør udvikling af mere målrettede begroningsmetoder.

Denne forskning "afkræfter den udbredte tro på, at tryk forårsager eller komplicerer tilsmudsning i omvendt osmosesystemer, og den tilsvarende tro på, at mangel på tryk reducerer tilsmudsning i fremadgående osmosesystemer, " siger Richard L. Stover, direktør for International Desalination Association, som ikke var involveret i dette arbejde. Den nye undersøgelse, han siger, "identificerer antagelser, der fordrejede eller begrænsede fortolkningen af ​​testdata i [tidligere] undersøgelser og bidrager med nye eksperimentelle data, der klart og endegyldigt beviser dens tese."

De nye mekanismer, som forskerne foreslår, "forklarer kvalitativt den begroningsresistens, der observeres i FO-systemer, giver klar retning og enestående kontekst for fremtidig forskning, " siger Stover. "Samlet set, papiret repræsenterer et væsentligt bidrag til den bredere forståelse af membranbegroningsmekanismer og deres mulige reduktion. Kort fortalt, det er et fint stykke arbejde."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.