Osmotic Odwrotna Osmoza: Przeciwnie Przepływa Woda

Odwrotność tego, co chce robić odwodnienie

Pozostawione samary, dwie ciecze o różnej zasoloności oddzielone przez błonę półprzepuszczalną spowodują przepływ wody z mniej zasolonej strony do bardziej zasolonej, rozcieńczając ją – zwykłe odwodnienie, napędzane różnicą ciśnienia osmotycznego π. Osmoregeneracja (RO) robi to jednak celowo: zastosuj mechaniczne ciśnienie po stronie słonej wody, które przekracza π, a netto przepływ wody odwraca się, wypychając świeżą wodę przez błonę, podczas gdy mikroskopijne pory membrany (zwykle wielkości jonu soli nawodnionej, pod nanometrem) prawie całkowicie odrzucają rozpuszczone jony, koncentrując je w strumieniu odpadowym.

Jaką ciśnienie jest potrzebne

Osmotyczne ciśnienie dla rozcieńczonego roztworu obeys równanie van’t Hoffa, takie samo jak prawo gazów doskonałych:

π = i · M · R · T i = współczynnik van’t Hoffa (liczba jonów na jednostkę wzorzystą; ≈2 dla NaCl) M = stężenie rozpuszczalnika R = stała gazowa T = temperatura absolutna Całkowite ciśnienie napędowe: ΔP_applied − π musi być > 0, aby przepływ permutacji był możliwy, Woda morska o przybliżonym stężeniu 35 g/L ma osmotyczne ciśnienie około 27-28 barów, więc elektrownie destylacyjne RO operują ciśnieniem zasilania w zakresie 55-80 barów — znacznie powyżej ciśnienia osmotycznego, zarówno aby wymusić przepływ przy użytecznej prędkości, jak i dlatego że π również rośnie wraz z wydobyciem wody i koncentracją pozostałego zasolenia wzdłuż modułu membrany.

π = i · M · R · T

i = van't Hoff factor (ions per formula unit; ≈2 for NaCl)
M = molar concentration of the solute
R = gas constant
T = absolute temperature

Net driving pressure:  ΔP_applied − π  must be > 0  for permeate to flow

Współczynnik odzysku w stosunku do energii: realny kompromis

Współczynnik odzysku definiuje się jako ułamek wody zasilającej, który kończy się jako używalny permalot, a nie skoncentrowana słona woda odpadowa. Zwiększanie współczyniku odzysku powoduje wzrost zasolenia pozostałej wody, co podnosi jej lokalne ciśnienie osmotyczne i tym samym wymagane ciśnienie (a więc zużycie energii pompowania) potrzebne do utrzymywania przepływu permalotu przez ostatni odcinek membrany – a także zwiększa ryzyko powstawania osadu, czyli wytrącania się rozpuszczonych soli (wodorowęglan wapnia, siarczan wapnia, krzemionka), które przekraczają ich limit rozpuszczalności i osadzają się na powierzchni membrany, zanieczyszczając ją. Instalacje RO z wody morskiej zazwyczaj ustalają poziom odzysku na poziomie 40-50% jako optymalny punkt ekonomiczny i operacyjny, podczas gdy instalacje RO z wód słodkowodnych, zaczynające się od znacznie niższej zasolenia i ciśnienia osmotycznego, mogą osiągnąć współczynnik odzysku na poziomie 75-90%

Powierzchnia błonowa i przepływ

Przepływ wody przez błonę (litry na metra kwadratowy na godzinę) rośnie w miarę liniową wraz z ciśnieniem napędowym netto (ΔP − π) dla danej przepuszczalności błony. W rezultacie roślina może wymieniać powierzchnię błonową przeciwko ciśnieniu robocemu: większa powierzchnia błonowa pozwala osiągnąć docelowy wskaźnik produkcji przy łagodniejszym ciśnieniu napędowym (wolniejszy przepływ na module, mniejsze ryzyko osadowania i niższe zużycie energii), a mniejsza powierzchnia wymaga wyższego ciśnienia i przepływu do uzyskania tego samego wyniku, co wiąże się z wyższymi kosztami pompowania i szybszym osadowaniem. W rzeczywistych projektach stosuje się wiele zbiorników ciśnieniowych szeregowo, aby zasolenina opuszczająca jeden etap nadal miała wystarczające ciśnienie napędowe netto, aby produktywnie zasilać następny.

Gdzie faktycznie idzie i wraca energia – dynamika płynu zaawansowana

Wprowadzanie wody morskiej pod ciśnieniem do 55-80 bar jest głównym kosztem energii w procesie desalinizacji RO, tradycyjnie wynoszącym około 3-4 kWh na metr sześcienny produkowanej wody słonecznej (metody destylacyjne termiczne zazwyczaj kosztują kilka razy więcej na metr sześcienny). Duża część tej energii byłaby inaczej tracona, gdy skoncentrowana, wciąż pod ciśnieniem woda solna opuszczała system, dlatego nowoczesne instalacje odzyskują dużą jej część dzięki urządzeniom do odzyskiwania energii – wymiennikom ciepła, które bezpośrednio przekształcają resztkowe ciśnienie wody słonej w napływającą wodę podgrzewaną, co drastycznie obniża zużycie energii na jednostkę objętości w porównaniu z dawnymi instalacjami RO, które po prostu oddawały pod ciśnieniem strumień odrzutowy.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Desalination i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.