De ontziltingsindustrie, een kritieke bron van drinkwater in veel droge gebieden, genereerde vorig jaar meer dan $13 miljard en zal naar verwachting binnen tien jaar verdubbelen. De meeste ontziltingsinstallaties gebruiken tegenwoordig een proces dat omgekeerde osmose (RO) wordt genoemd, die water door enorme rollen membranen duwt, het zout achterlaten. Een van de duurste operationele uitdagingen voor dergelijke installaties is de vervuiling van deze membranen door micro-organismen.

Nutsvoorzieningen, onderzoek van MIT suggereert een andere benadering om de vervuilingssnelheid te verminderen en zo de efficiëntie van RO-installaties te verbeteren.

Het heersende idee in de industrie was dat de hoge druk die door RO wordt vereist verantwoordelijk is voor de relatief hoge mate van vervuiling, in vergelijking met andere systemen zoals voorwaartse osmose. Maar de MIT-studie laat zien dat dit niet het geval is, een bevinding die nieuwe benaderingen opent om vervuiling in RO te verminderen. Het onderzoek, door Emily Tow '12, SM '14, PhD '17 en MIT Professor John H. Lienhard V, werd onlangs gepubliceerd in de Journal of Membrane Science en gepresenteerd op de AMTA/AWWA Membrane Technology Conference 2017, waar het de Student Best Paper Award ontving.

Veel experts zijn van mening dat de hoge druk in een RO-systeem de microbiële matten die op de membranen groeien samendrukt, en dat deze "verdichting" de groei veel moeilijker maakt om te verwijderen. In tegenstelling tot, in lagedruk voorwaartse osmose (FO) systemen, die minder energie-efficiënt zijn, maar beter bestand tegen aangroei, men denkt dat de zogenaamd lossere mat gemakkelijker schoon te maken is.

Echter, deze microbiële matten zitten over het algemeen vol met water, die niet comprimeert onder RO-druk, dus "er is geen goede reden waarom hoge druk vervuiling zou verergeren, ", zegt Tow. Ze vergelijkt de microben met een duiker:"Er is veel druk op de bodem van de oceaan, maar het zorgt er niet voor dat je aan de zeebodem blijft plakken." Maar als druk er niet toe doet, en de stroomsnelheden door FO- en RO-systemen zijn vergelijkbaar, wat zou het verschil in vervuilingsweerstand kunnen verklaren?

Slepen, die nu ITRI-Rosenfeld Postdoctoral Fellow is aan het Lawrence Berkeley National Laboratory en volgend jaar professor werktuigbouwkunde zal zijn aan Olin College, bedacht een nieuwe benadering om de effecten van druk te isoleren van die van andere verschillen tussen FO en RO. Haar methode omvat het bedienen van een FO-systeem, die osmose gebruikt om water door membranen te trekken, bij een drukbereik tot 40 atmosfeer.

"We hebben vervuilingspercentages en reinigingsresultaten gemeten, en zelfs opgenomen video van de membranen die bij verschillende drukken worden gereinigd, en we vonden geen effect van druk, " zegt ze. Veel geciteerde kranten beweerden dat druk het probleem was, maar eerdere experimenten varieerden ook de concentratie van de oplossing aan de achterkant van het membraan bij het variëren van de druk. Door de druk aan beide kanten van een FO-systeem te verhogen zonder iets anders te veranderen, de MIT-studie toonde aan dat druk alleen de vervuiling niet verergert of reiniging belemmert.

Nu is aangetoond dat hoge druk - die essentieel is voor RO om te werken - geen invloed heeft op vervuiling, onderzoekers moeten zoeken naar andere redenen waarom processen zoals FO meer aangroeiresistent zijn en kijken of ze kunnen worden toegepast op RO, zegt sleep.

"De waarneming dat membranen voor voorwaartse osmose gemakkelijker te reinigen zijn, is redelijk robuust, " zegt Lienhard, die de Abdul Latif Jameel Professor of Water and Food en directeur van het Centre for Clean Water and Clean Energy en van het Abdul Latif Jameel World Water and Food Security Lab is. Maar de nieuwe studie toont aan dat de vervuilingsweerstand van FO "niet intrinsiek is aan de lage druk. Het verschil moet verband houden met andere factoren die mogelijk overdraagbaar zijn naar RO. Het moet worden begrepen, " hij zegt.

"De hoop is dat met verder werk, dit zou het gemakkelijker kunnen maken om RO-membranen te reinigen, "zegt hij. Momenteel, het verminderen van membraanvervuiling is een belangrijk onderdeel van de niet-energetische bedrijfskosten van een RO-installatie, die goed zijn voor ongeveer een kwart van de kosten van ontzilt water. Elke verbetering van de vervuilingsweerstand kan een aanzienlijke invloed hebben op de waterkosten.

Het is mogelijk dat het verschil in hoe vervuiling RO- en FO-membranen beïnvloedt, te maken heeft met de steunlaag van het membraan, dat is de achterkant van de dunne, zoutfilterende laag. in FO, interacties tussen de dragerlaag en de geconcentreerde oplossing die het aanraakt, beïnvloeden het patroon van de waterstroom door het membraan, die bepaalt hoe vervuilingen zich ophopen op het membraanoppervlak, zegt sleep. Toekomstige RO-membranen kunnen zo worden ontworpen dat vervuiling optreedt in een patroon dat vergelijkbaar is met dat van FO, of zelfs een nieuw patroon dat is geoptimaliseerd voor eenvoudige reiniging.

Het verbeteren van het vermogen om gebruikte membranen te reinigen kan niet alleen de waterkosten beïnvloeden, maar ook de betrouwbaarheid van ontziltingsinstallaties, Lienhard wijst erop. "Stilzettingen vanwege een algenbloei kunnen de watertoevoer soms dagen of weken onderbreken, " zegt hij. De grondbeginselen van vervuiling begrijpen, inclusief het effect van druk, maakt de ontwikkeling van meer gerichte methoden voor het verminderen van vervuiling mogelijk.

Dit onderzoek ontkracht de wijdverbreide overtuiging dat druk vervuiling veroorzaakt of compliceert in omgekeerde osmose-systemen, en de bijbehorende overtuiging dat een gebrek aan druk vervuiling in voorwaartse osmosesystemen vermindert, " zegt Richard L. Stover, directeur van de International Desalination Association, die niet bij dit werk betrokken was. De nieuwe studie, hij zegt, "identificeert aannames die de interpretatie van testgegevens in [eerdere] onderzoeken bevooroordeeld of beperkt hebben en draagt ​​nieuwe experimentele gegevens bij die hun stelling duidelijk en definitief bewijzen."

De nieuwe mechanismen die de onderzoekers voorstellen "verklaren kwalitatief de vervuilingsweerstand die wordt waargenomen in FO-systemen, duidelijke richting en uitstekende context bieden voor toekomstig onderzoek, " zegt Stover. "Over het algemeen, het artikel vertegenwoordigt een belangrijke bijdrage aan het bredere begrip van membraanvervuilingsmechanismen en hun mogelijke bestrijding. Simpel gezegd, het is een knap staaltje werk."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.