Hvordan gør man et bedre stykke arbejde med at rense saltvand? Ved at holde afsaltningsværktøj tørre

Allyson McGaughey voksede op i Seattle, USC Viterbi School of Engineering Ph.D. '21, blev aldrig konfronteret med tørkens daglige virkelighed. I den stadig mere varme og tørre ørken i Los Angeles blev knapheden på vand imidlertid blottet - hvilket øgede behovet for at finde alternative vandløsninger.

I forskning offentliggjort i Journal of Membrane Science , McGaughey, i koordination med Amy Childress, USC Viterbi Gabilan Distinguished Professor, afslørede ny indsigt i, hvordan man bedst kan designe vandrensningsprocesser – for eksempel spildevandsbehandling på et vandbehandlingsanlæg – ved hjælp af membrandestillation (MD). MD er en proces, der adskiller salt fra vand ved hjælp af en tynd, tør, porøs membran. Moderate temperaturforskelle får vand til at passere fra den ene side til den anden.

For at forstå dette bedre, tænk på en spaghetti-si, men med meget, meget mindre huller. En vandstrøm, der hældes gennem silen, vil blive "renset" for visse materialer i vandet, der er for store til at passere gennem siens huller (som en membrans porer), hvilket efterlader en "ren" strøm på den anden side af siden. Alligevel kan alt, der er mindre end disse huller – som det opløste salt i vores pastavand – stadig komme igennem. For at rense endnu mere, hvad nu hvis vi kun kunne opsamle dampen eller ren vanddamp? Forestil dig nu en si, der kun tillader damp, ikke flydende vand, at passere gennem hullerne. Så kan selv opløste salte ikke trænge igennem. Ved at bruge en meget hydrofob (vandfrygtende) membran, der gør netop det, kan MD bruges til at udvinde rent, afsaltet vand fra forurenede vandløb.

Succesen med membrandestillation, sagde forskerne, afhænger i høj grad af membrandesign, der kan reducere eller eliminere fugt, der akkumuleres i membranen. Hvis en membran bliver våd, sagde forskerne, kan den miste sin effektivitet og kompromittere kvaliteten af ​​det behandlede vand. Til dette formål undersøgte McGaughey, nu post-doc ved Princeton University, hvordan man bedst designer membraner, så de ikke bliver overdrevent våde og behandler vand med succes, fjerner salt og forurenende stoffer og skaber en højkvalitets eller ren udstrømning.

Blandt deres nøgleresultater, sagde McGaughey, er, at reduktion af membranporestørrelse eller øget tykkelse af selve membranen kan øge vandmodstanden og forsinke eller forhindre forurening af den rensede vandstrøm.

Membraner er typisk lavet af et hydrofobt eller vandafvisende syntetisk materiale med porer, der er 0,1 til 0,5 mikrometer små. McGaughey sagde, at mens andre processer typisk er mere energieffektive end membrandestillation - for eksempel en proces kaldet omvendt osmose - i tilfælde af saltere vandstrømme, kræver disse mere typiske processer en formidabel mængde tryk for at tvinge vandmolekylerne gennem membranen . Det gør dem derfor mindre praktiske til behandling af meget salte vandløb.

I modsætning hertil tillader membrandestillation, at saltere vand kan renses mere effektivt end med omvendt osmose og giver forskere mulighed for at rense saltere spildevand, som normalt bortskaffes, fordi det ikke kan renses effektivt ved traditionelle vandbehandlingsprocesser.

Problemet, sagde McGaughey, er, at membranerne, der filtrerer spildevandet, kan blive alt for våde. "I omvendt osmose bruger vi tætte membraner, der er ikke-porøse, så kun vandmolekyler kommer igennem, men i membrandestillation er der huller i membranerne, der kan tillade forurening, hvis de bliver våde," sagde hun.

Optimering af membrandestillation for at øge membranernes vandmodstand

Afsaltning er i sagens natur en dyr og energikrævende proces på grund af saltets og vands kemiske egenskaber. Salt opløses let i vand og danner bindinger, der er meget svære at bryde, sagde forskerne.

"Hvis vi havde et valg, ville vi slet ikke afsalte," sagde McGaughey, "men i stigende grad har vi brug for det vand."

Med membrandestillation sagde McGaughey, at en opvarmet saltstrøm placeres på den ene side af en tør membran og en kølig, ren vandstrøm på den anden. Forskellen i temperatur mellem de to vandløb er den drivkraft, der flytter vand fra den ene side til den anden. For at adskille rent vand fra salt og andre forurenende stoffer skifter vandmolekylerne i den salte strøm fra en væske til en dampgas på grund af varmen.

Inde i de tørre membranporer er der en lille luftspalte, der giver mulighed for dampopsamling, som opstår, når saltvandet opvarmes og fordamper, passerer gennem membranen, mens saltet efterlades. Fordi luftgabet er lille, skal der ikke meget varme til for at ændre saltvandet til damp, hvilket betyder, at du kan bruge solenergi til at opvarme den salte væske. Dampen repræsenterer det rensede vand eller destillat, som på den anden side af membranen afkøles — af det kolde vand — og vender tilbage til flydende form.

Membranens modstandsdygtighed over for flydende vand, eller befugtningsmodstand, er nøglen til at sikre, at destillatstrømmen rent faktisk er renset kontra kontamineret. Når membranen bliver våd, blandes flydende vand fra spildevandet, eller saltvandsstrømmen, ind i den rensede vandstrøm, hvilket skaber et output af lavere kvalitet – måske endda et vandudtag, der ikke ville leve op til drikkevarestandarderne.

At forsøge at finde ud af, hvordan en membran mister sin befugtningsmodstand på et grundlæggende niveau, og hvordan dette kan forhindres gennem hydrofobicitet af membranmaterialet og porestørrelsen er nøglen, sagde forskerne.

"Vi har membraner, der fungerer nu, men når du går op til ekstremt høje saltholdigheder, og du får saltudfældning på membranoverfladen, er det stadig en stor udfordring," sagde McGaughey.

Nyde udfordringer inden for vandforsyning

"Håndtering af affaldsstrømme med højt saltindhold er en stor udfordring - for eksempel industriaffaldsstrømme," sagde McGaughey.

"Den [membrandestillation] vil aldrig være mere energieffektiv end omvendt osmose, men den kan bruge solvarmeenergi eller lavkvalitets 'spild' varme, hvilket betyder, at den kan stole på grøn energi. Det betyder mindre kulstofemissioner end elektriciteten vi bruger til at drive omvendt osmose, og det kan også nå højere saltholdighedsstrømme," sagde hun.

I stedet for at en enkelt proces er en selvstændig løsning, sagde McGaughey, at membrandestillation kunne være et supplement til omvendt osmose, for eksempel noget, du kan bruge nedstrøms (længere i vandbehandlingsprocessen), efter en omvendt osmosebehandling.

"Membrandestillation kunne bruges på den afviste saltvandsstrøm, der kommer ud af omvendt osmose for at maksimere brugen af ​​det tilgængelige vand," sagde hun.

McGaughey sagde også, at membrandestillation også kunne have anvendelse i landdistrikter og ikke-elektrificerede områder.