Процессы опреснения все чаще используются для увеличения запасов воды. Фактически, согласно прогнозам, мировые мощности по опреснению воды удвоятся в период с 2016 по 2030 год.
Но эти процессы дороги и могут нанести вред окружающей среде. Рассолы со сверхвысокой соленостью, которые являются побочным продуктом опреснения, могут в несколько раз превосходить соленость морской воды, и варианты их управления особенно сложны для внутренних опреснительных предприятий, таких как те, что находятся в Аризоне, Калифорнии, Флориде и Техасе.
В течение последнего года исследователи Columbia Engineering совершенствовали свой нетрадиционный подход к опреснению гиперсоленых рассолов – экстракцию растворителем с изменяющейся температурой (TSSE), – который показывает большие перспективы для широкого использования. TSSE радикально отличается от традиционных методов, потому что это метод, основанный на экстракции растворителем, который не использует мембран и не основан на испарительном фазовом переходе: он эффективен, действенен, масштабируем и надежен.
В новой статье, опубликованной 23 июня в журнале Environmental Science & Technology, команда сообщает, что их метод позволил им достичь энергоэффективного сброса с нулевым содержанием жидкости (ZLD) рассолов сверхвысокой солености – первой демонстрации TSSE для опреснения ZLD. гиперсоленых рассолов.
«Нулевые сбросы – это последний рубеж опреснения», – говорит Нгай Инь Ип, доцент кафедры инженерии земли и окружающей среды, руководивший исследованием. «Испарение и конденсация воды – обычная практика для ZLD, но она очень энергоемкая и непомерно дорогостоящая. Нам удалось достичь ZLD без кипячения воды – это крупное достижение в опреснении рассолов сверхвысокой солености, которое демонстрирует, как наш метод TSSE может быть технологией, преобразующей глобальную водную промышленность."
Процесс TSSE Yip начинается со смешивания растворителя низкой полярности с рассолом высокой солености. При низких температурах (команда использовала 5 ° C) растворитель TSSE извлекает воду из рассола, но не соли (которые присутствуют в рассоле в виде ионов).
Контролируя соотношение растворителя и рассола, команда может извлечь всю воду из рассола в растворитель, чтобы вызвать осаждение солей – после того, как вся вода «всасывается» в растворитель, соли образуют твердые кристаллы и падают до дно, которое затем легко отсеивается.
После отделения осажденных солей исследователи нагревают насыщенный водой растворитель до умеренной температуры около 70 ° C. При этой более высокой температуре растворимость растворителя в воде уменьшается, и вода выдавливается из растворителя, как губка. Отделенная вода образует слой под растворителем и содержит гораздо меньше соли, чем исходный рассол. Его можно легко слить с помощью сифона, а регенерированный растворитель затем можно повторно использовать для следующего цикла TSSE.
«Мы не ожидали, что TSSE будет работать так хорошо, как раньше», – говорит Ип. «На самом деле, когда мы обсуждали его потенциал для ZLD, мы думали прямо противоположное, что процесс, скорее всего, выйдет из строя в какой-то момент, когда будет слишком много соли, чтобы он продолжал работать. Так что это был счастливый сюрприз, когда я убедил ведущего исследователя Чанхи Бу попробовать, черт возьми, в пятницу днем, и мы получили такие отличные результаты."
С смоделированным (приготовленным в лаборатории) рассолом с 292500 частями на миллион растворенных твердых веществ группа Ипа смогла осаждать более 90% соли в исходном растворе. Кроме того, исследователи подсчитали, что в процессе используется только около четверти энергии, необходимой для испарения воды – это 75% экономии энергии по сравнению с термическим испарением рассола. Они повторно использовали растворитель в течение нескольких циклов без заметной потери производительности, демонстрируя, что растворитель был сохранен и не израсходован во время процесса.
Затем, чтобы продемонстрировать практическую применимость технологии, команда взяла полевую пробу высокосоленого рассола, концентрата ирригационной дренажной воды в Центральной долине Калифорнии, где очистка ирригационной дренажной воды является сложной и дорогостоящей, и достигла ZLD с помощью TSSE.
Обычные методы дистилляции требуют наличия пара высокого качества и часто дополняются электричеством для приведения в действие вакуумных насосов. Поскольку TSSE требует только умеренных температурных входов, необходимая низкопотенциальная тепловая энергия может поступать из более устойчивых источников, таких как промышленные отходы тепла, геотермальные источники с мелкими скважинами и солнечные коллекторы с низкой концентрацией.
«При наличии подходящего растворителя и правильных температурных условий мы можем предоставить рентабельные и экологически устойчивые варианты управления концентратом для внутренних опреснительных установок, используя солоноватоводные грунтовые воды для смягчения текущего и ожидаемого дефицита воды», – отмечает Ип.
В дополнение к управлению концентратами опреснения воды, TSSE также может использоваться для других рассолов с высокой соленостью, включая обратную и пластовую воду при добыче нефти и газа, потоки отходов от паровых электростанций, сбросы с углехимических предприятий и свалки. фильтрат.
Группа Йипа продолжает исследовать фундаментальные рабочие механизмы TSSE, чтобы разработать дальнейшие улучшения его производительности. Эта работа включает в себя дальнейшие испытания на реальных образцах с мест, а также оптимизацию всего процесса.