Reducerer kraftværkernes ferskvandsforbrug med nyt silicafilter

Kraftværker trækker mere ferskvand end nogen anden forbruger i USA, tegner sig for mere end 50 procent af landets ferskvandsforbrug på omkring 500 milliarder gallons dagligt.

For at hjælpe med at redde dette vand, forskere ved Sandia National Laboratories har udviklet et nyt silicafilter til kraftværkskølevand, der reducerer mængden af ​​ferskvandskraftværker, der forbruges ved at øge antallet af gange, at køletårnsvand kan genbruges og genanvendes.

"Vi har en begrænset mængde vand i dette land at bruge til alt fra drikkevand til husdyropdræt, og den globale befolkning og efterspørgsel vokser, " sagde Sandia geokemiker Pat Brady. "Hvis du kan genbruge vandet, der bruges på kraftværker, det frigiver meget mere vand til husholdningsbrug og privat brug."

Mens kraftværker allerede genbruger ferskvand, antallet af gange, en batch vand kan genbruges, er begrænset af mængden af ​​silica, der opbygges ved hver cyklus. Silica er en almindelig, naturligt forekommende stof i ferskvand med begrænset opløselighed, og er tilbøjelig til at danne skæl på turbiner, kedler, varmevekslere, overførselsrør og andet udstyr. Denne opbygning er problematisk, fordi den kan forstyrre udstyrets funktion og er dyr at forhindre. Omkostningerne til at behandle og genbruge vand brugt på kraftværker anslås til at være 1,5 til 2 gange omkostningerne ved ferskvand, ofte på grund af den høje pris på de nuværende metoder til fjernelse af silica.

"Når du har opbygning af silica, varmeoverførsel er et problem, tilstopning er et problem, og korrosion er et problem, " sagde Sandia-kemiker Tina Nenoff. "Så, vores projekt fokuserede på at finde et energi- og omkostningseffektivt materiale og proces til at fjerne silica fra industrivand."

Sandia National Laboratories forskere, venstre til højre, Tina Nenoff og Pat Brady og tidligere postdoktorudnævnte Koroush Sasan undersøgte, hvordan hydrotalcit kan filtrere silica ud af køletårnets vand på kraftværker.

Fjernelse af silica med et specielt filter

Nenoff havde arbejdet med hydrotalcit, et lagdelt materiale lavet af aluminiumhydroxid, siden begyndelsen af ​​2000'erne, hvor hun studerede metoder til billig afsaltning, og troede, at materialet kunne være et effektivt filter til silica.

I et toårigt laboratoriestyret forsknings- og udviklingsprojekt, Nenoff, Brady og deres forskerhold skabte specielle filtre, pellets og pulvere lavet af hydrotalcit for at studere materialets evne til at filtrere for silica. Som dokumenteret i en nylig artikel i Journal of Waste Process Engineering , de fandt, at hydrotalcit kunne fjerne omkring 90 procent af akkumuleret silica i genbrugsvand og genbruges i fem eller flere cyklusser. Denne evne til at genbruge filteret og genbruge køletårnets vand kunne spare både penge og naturressourcer.

"Forestil dig piller af hydrotalcit eller et pulver som den slags, der findes i et drikkevandsfilter, " sagde Nenoff. "Vandet strømmer gennem eller over materialet under filtreringsprocessen, og silicaen fra vandet krystalliserer og forbliver i filteret, mens renere vand strømmer ud."

Forskerholdet designede hydrotalcitmaterialet, der skulle bruges til at filtrere køletårnsvand på kraftværker. Under afkølingsprocessen, noget af vandet fordamper og mineralerne i vandet, inklusive silica, bygges op med hver cyklus.

"Når du varmer vandet op og noget af det fordamper, silica og andre materialer i vandet bliver mere koncentreret, " sagde Brady. "Lige nu, du kan muligvis bruge vandet i et par cyklusser, før det bliver for koncentreret, men vi sigter mod 10 eller flere cyklusser, så kraftværker kan skære ned på vandforbruget."

Fra laboratoriet til anvendelse i den virkelige verden

Ud over at studere materialet og dets effektivitet, holdet ønskede at finde ud af, hvordan man bedst opskalerer det nye filtreringsmateriale, så det ville være levedygtigt for storskaladrift på kraftværker. Studerende i University of New Mexicos civilingeniørafdeling, arbejder under ledelse af professor Kerry Howe, udførte en opskaleringsanalyse af materialet, og forskere ved Sandia's Livermore, Californien, webstedet udførte en tekno-økonomisk analyse for at estimere omkostninger og energibesparelser til virkelige applikationer.

"De målinger, vi laver her, er i bægre på størrelse med en kaffekop, men når du er på et anlæg som et kraftværk, der bruger en million gallons om dagen, du vil vide, om hydrotalcit vil være effektivt på det niveau, " sagde Brady.

Forskerholdet brugte den tværfaglige tilgang og analyser til at guide deres eksperimenter for at finde den bedste behandling af hydrotalcit til omkostnings- og energieffektiv industriel brug.

"En stor del af industrien vil allerede have en proces til fjernelse af silica, der virker, men det virker måske ikke godt, " sagde Nenoff. "Som et resultat af dette projekt, vi vil være i stand til at give dem en estimeret omkostning og energibesparelser, og endda en forventet levetidsbesparelse, som hydrotalcit kunne give i forhold til deres nuværende metode. Den slags modellering og analyser giver mere incitament til at tage risikoen ved at implementere en ny metode."

Holdet har publiceret tre tidsskriftsartikler og modtaget et foreløbigt patent på filteret.