Avanço na osmose reversa pode levar à dessalinização mais eficiente em termos de energia

(Nanowerk notícia) Fazer água doce a partir da água do mar geralmente requer enormes quantidades de energia. O processo mais difundido para a dessalinização é chamado de osmose reversa, que funciona fluindo água do mar sobre uma membrana de alta pressão para remover os minerais.

Agora, os engenheiros da Universidade Purdue desenvolveram uma variante do processo chamada "osmose reversa em lote", que promete melhor eficiência energética, equipamentos mais duradouros e a capacidade de processar água de maior salinidade. Pode acabar como um fazedor de diferenças na segurança hídrica em todo o mundo.

A osmose reversa é usada em muitos países; em lugares áridos como o Oriente Médio, mais da metade dos suprimentos de água potável vêm de instalações de dessalinização. Mas para manter o alto nível de pressão necessário para o processo – até 70 vezes a pressão atmosférica – uma usina de dessalinização deve empregar um grande número de bombas e outros equipamentos. E isso usa muita energia.

"Cerca de um terço do custo vitalício de uma usina de dessalinização é energia", disse David Warsinger, professor assistente de engenharia mecânica da Purdue. "Mesmo pequenas melhorias no processo – alguns pontos percentuais de diferença – podem economizar centenas de milhões de dólares e ajudar a manter o CO2 fora da atmosfera."

Durante seu trabalho de doutorado no MIT, Warsinger desenvolveu pela primeira vez a ideia de "osmose reversa em lote". Em vez de manter um fluxo constante de água do mar nesses níveis de alta pressão, um processo de lote leva em uma quantidade definida de água ao mesmo tempo; processá-lo; descarrega-lo; e, em seguida, repete o processo com o próximo lote.

"Cada lote dura cerca de um a dois minutos", disse Warsinger. "Aumentamos a pressão ao longo do tempo, reduzimos o volume ao longo do tempo, e acabamos usando muito menos energia para produzir a mesma quantidade de água doce."

Os estudantes de pós-graduação Abhimanyu Das (esquerda) e Akshay Rao ajustam um tanque de pistão, o componente-chave para um novo processo de dessalinização chamado "osmose reversa em lote duplo". (Imagem: Jared Pike, Universidade Purdue)                

Embora algumas usinas de dessalinização tenham tentado usar técnicas semibatch, nenhuma jamais implementou um sistema de lote completo – em parte devido às quebras de tempo entre os lotes.

"Leva tempo e energia para bombear cada lote de água para fora e, em seguida, bombear o próximo lote de água para processamento", disse Warsinger. "Gastar esse tempo e energia geralmente cancela os ganhos de eficiência que você obteria com o uso do processo de lote. É por isso que desenvolvemos uma solução chamada 'osmose reversa em lote duplo'."

Pistão de dupla- tarefa

Este novo processo usa um tanque de pistão — um vaso de alta pressão com um pistão no meio. Enquanto um lado do pistão envia água do mar para a frente na alça de processamento, o outro lado do pistão simultaneamente enche-se com o próximo lote de água do mar na fila. Quando um processo de lote termina, o pistão injeta perfeitamente o próximo lote de água do mar no sistema enquanto preenche simultaneamente seu outro lado com o próximo lote de água do mar na fila, e o processo se repete continuamente.

"Em vez de esvaziar totalmente o pistão cada vez ou usar algum outro líquido ou gás para pressurizar o pistão, estamos enchendo-o com o próximo lote de água do mar", disse Warsinger. "Então, em vez de um lado do pistão ser essencialmente espaço morto, estamos usando a própria água do mar para obter duplo dever fora deste pistão, então quase não há tempo de inatividade.

"De acordo com nossos modelos, esse sistema proposto oferece o menor consumo de energia de todos os tempos para a dessalinização da água do mar. É o melhor marco da classe."

Sua pesquisa foi publicada emdessalinização("Configuração de osmose reversa em lote de dupla ação para melhor eficiência da classe e baixo tempo de inatividade").

"O tempo de inatividade é realmente algo que você quer evitar", disse Sandra Córdoba, estudante de mestrado em engenharia mecânica da Purdue e primeira autora do artigo. "Se você tem que atender o sistema após cada ciclo, você perde toda a sua eficiência energética. Reduzir ou eliminar esse tempo de inatividade é a coisa chave que viabiliza a osmose reversa em lote."

Córdoba também desenvolveu os modelos hidráulicos teóricos utilizados no papel.

"A osmose reversa é um processo complexo", disse Córdoba. "Para medir seu sucesso, você tem que acompanhar muitas variáveis: pressão da água, volume, salinidade, relação de recuperação, tempo e energia. Com esses modelos, conseguimos determinar a quantidade certa de pressão ao longo do tempo para alcançar os melhores resultados usando a quantidade mínima de energia."

Qual é o tamanho do tanque de pistão? Depende do tamanho do sistema.

"A osmose reversa opera em uma ampla gama de escalas", disse Warsinger. "As famílias na Índia geralmente têm um sistema de micro osmose reversa para sua própria casa, onde você pode segurá-lo em suas mãos. Para nossos experimentos, construímos um sistema modelo onde o tanque de pistão é do tamanho de um extintor de incêndio. Em uma planta em grande escala, pode ter 30 metros de comprimento. Mas a beleza disso é que não é um equipamento complexo; é essencialmente um tubo, com um pistão apertado no meio. Mas esse tanque de pistão muda tudo."

O laboratório de Warsinger usou esse desenvolvimento de lote duplo para alimentar vários novos avanços na dessalinização. Abhimanyu Das, um estudante de doutorado em engenharia mecânica da Purdue, publicou uma pesquisa descrevendo uma variante do processo chamada "osmose reversa de contrafluxo em lote". Ao recircular certas concentrações de água em ambos os lados da membrana, o processo das Das é mostrado como o processo de dessalinização mais eficiente em termos de energia para água de alta salinidade, ao mesmo tempo em que requer menos componentes. E o estudante de mestrado da Purdue, Michael Roggenburg, publicou uma pesquisa mostrando que uma combinação de osmose reversa em lote e energia renovável poderia, concebivelmente, fornecer água doce para toda a fronteira de 1.954 milhas entre os EUA e o México.

"A segurança hídrica é um grande problema em todo o mundo, no qual passei toda a minha carreira trabalhando", disse Warsinger. "Esses resultados com osmose reversa em lote são realmente emocionantes. Se baixarmos um pouco o custo, então a dessalinização se torna uma opção viável para mais lugares. Poderia ser transformador.