Будет ли будущее опреснения без мембран
Трансформация систем опреснения
Система была разработана в университетских лабораториях и в настоящее время предназначена для автономного применения, а не для полномасштабного опреснения воды в прибрежных зонах. Однако некоторые проблемы, связанные с крупномасштабным опреснением, были решены в ходе исследований. Например, новая система устранила необходимость в фильтрующих мембранах, используемых на крупных централизованных станциях, которые подвержены загрязнению и деградации.
Уильям Шмидт, докторант по электротехнике и вычислительной технике в Университете Райса и стипендиат Национального научного фонда, исследует методы повышения эффективности опреснения воды с помощью света. Он отметил: «Доступ к чистой пресной воде — особенно сложная проблема в населённых пунктах, не подключенных к электросети. Мы хотели сосредоточиться на децентрализованных модульных системах опреснения».
Заполните форму для получения консультации специалиста по водоподготовке
Принцип работы системы опреснения на основе света и рекуперации тепла
Исследователи разработали систему, которая делает автономное опреснение воды более гибким, надёжным и дешёвым по сравнению с существующими аналогами. Окончательная система – опреснение с помощью солнечного терморезонансного обмена энергией (STREED) – работает на солнечной энергии. Её ключевое преимущество в том, что она может продолжать производить воду даже при колебаниях солнечного света благодаря креативному подходу к рекуперации тепла. Система также предназначена для работы с рассолами высокой солёности.
Как работает система:
- Основной процесс: Система основана на рекуперации и повторном использовании энергии, вырабатываемой в процессе опреснения. Солёная вода испаряется, пар поднимается, оставляя соли и загрязнители, а затем охлаждается и конденсируется в пресную воду.
- Энергетический цикл: Энергия расходуется на испарение, чтобы преодолеть молекулярные связи в воде, и эта же энергия высвобождается при конденсации. Эффективность достигается за счёт использования этой фазовой энергии.
Опреснение как резонансная система
Система теплопередачи в процессе испарения и конденсации использует те же физические законы, что и резонансные системы, например, маятники. В такой системе энергия естественным образом колеблется между разными формами в повторяющемся цикле, достигая максимальной эффективности на резонансных частотах.
В системе STREED резонанс достигается за счёт взаимодействия потока солёной воды и потока воздуха (пара) и сохранения энергии, которой они обмениваются. При правильной настройке тепло колеблется между этими двумя потоками, эффективно накапливая и передавая тепловую энергию даже при отсутствии прямого солнечного света.
Благодаря этой автономной резонансной передаче энергии, система не требует внешних технологий хранения энергии, которые увеличивают стоимость и сложность обслуживания.
Ключевой инновацией является применение знаний из электротехники и физики осцилляторов для корректировки внутреннего расхода воды в системе в соответствии с изменениями солнечной активности в течение дня. Подобное управление потоком в зависимости от освещённости ранее не применялось.
Устойчивое опреснение
Система обладает следующими преимуществами:
- Изготовлена из долговечных материалов.
- Требует минимального обслуживания.
Для проверки работоспособности при разных условиях команда провела моделирование, используя профили солнечного света в различных locations США. Прототип системы показал способность производить до 0,75 литра питьевой воды в час, а её эффективность восстановления воды в течение недели превзошла показатели систем со статическим потоком на 77%.
Это подтверждает, что хотя система выигрывает от солнечных мест в плане общего объема выработки, достижение высокой эффективности преобразования энергии в воду не зависит исключительно от высокой интенсивности солнечного света.
Отказ от мембран
В отличие от мембранных технологий, которые подвержены загрязнению и износу, система STREED заменяет мембраны воздухом. Конструкция включает:
- Один нагретый канал с солёной водой.
- Смежный канал с воздухом, который уносит водяной пар.
- Водовоздушный теплообменник, где пар конденсируется.
Такая конструкция более надёжна, так как отсутствуют мембраны, которые могут загрязниться или сломаться. Использование прочных и не требующих особого ухода материалов делает систему легко масштабируемой и доступной.
Восстановление ресурсов и энергоэффективность
Первоначальные разработки были сосредоточены на:
- Проверке применения резонансной передачи энергии в немембранных системах.
- Демонстрации адаптации к изменяющейся солнечной энергии без внешнего хранения тепла.
Хотя работа с полученным рассолом ещё не была в фокусе, система STREED имеет потенциал стать системой с нулевым сбросом жидкости (ZLD). Такая система преобразует всю влагу из солёной воды в пресную, оставляя все твёрдые частицы, что дает преимущества:
- Более высокая степень восстановления пресной воды.
- Улучшенное управление отходами.
- Возможность восстановления солей и минералов.
Для солёности, превышающей рабочий диапазон мембранных технологий, система показала лишь незначительное снижение энергоэффективности. Разделение нагрева и подачи рассола позволяет расширить возможности системы до чрезвычайно высоких концентраций соли и достичь нулевого сброса.
Масштабируемость для будущих применений
Модульность была заложена в конструкцию STREED в качестве приоритета. Это означает, что:
- Отдельные блоки можно объединять в соответствии с потребностями.
- Небольшое количество модулей может удовлетворить потребности малых сообществ.
- Новые модули можно добавлять по мере роста сообщества.
Простая масштабируемость считается критически важным требованием для децентрализованных технологий, так как потребности в пресной воде значительно различаются. Важным направлением исследований является определение наиболее эффективных конфигураций модульных систем для заданных условий по земле, солнечной энергии и потребности в воде.
КАТАЛОГ ОБОРУДОВАНИЯ
Установки двухступенчатого обратного осмоса
Мембранные дистилляторы серийного производства в наличии на складе
Установки ультрафильтрации
Системы ультрафильтрации для удаления примесей размером свыше 0,01 мкм
Опреснители морской воды
Высоконапорный обратный осмос для опреснения морской воды. Серийные системы в наличии на складе