Elektriciteitscentrales trekken meer zoet water dan enige andere verbruiker in de Verenigde Staten, goed voor meer dan 50 procent van het zoetwatergebruik van de natie met ongeveer 500 miljard gallons per dag.

Om dit water te helpen besparen, onderzoekers van Sandia National Laboratories hebben een nieuw silicafilter voor koelwater van elektriciteitscentrales ontwikkeld dat het verbruik van zoetwatercentrales vermindert door het aantal keren dat koeltorenwater kan worden hergebruikt en gerecycled, te vergroten.

"We hebben een beperkte hoeveelheid water in dit land om te gebruiken voor alles, van drinkwater tot het fokken van vee, en de wereldbevolking en de vraag groeit, ", zei geochemicus Pat Brady van Sandia. "Als je het water dat in elektriciteitscentrales wordt gebruikt, kunt recyclen, het maakt veel meer water vrij voor huishoudelijk en persoonlijk gebruik."

Terwijl elektriciteitscentrales al zoet water recyclen, het aantal keren dat een batch water kan worden hergebruikt, wordt beperkt door de hoeveelheid silica die zich bij elke cyclus opbouwt. Silica is een veel voorkomende, natuurlijk voorkomende stof in zoet water met beperkte oplosbaarheid, en is vatbaar voor het vormen van schubben op turbines, ketels, warmtewisselaars, overdrachtsleidingen en andere apparatuur. Deze opbouw is problematisch omdat het de werking van de apparatuur kan verstoren en kostbaar is om te voorkomen. De kosten voor het behandelen en recyclen van water dat in elektriciteitscentrales wordt gebruikt, worden geschat op 1,5 tot 2 keer de kosten van zoet water, vaak vanwege de hoge prijs van de huidige methoden voor het verwijderen van silica.

"Als je silica hebt opgebouwd, warmteoverdracht is een probleem, verstopping is een probleem en corrosie is een probleem, "zei Sandia-chemicus Tina Nenoff. "Dus, ons project was gericht op het vinden van een energie- en kostenefficiënt materiaal en proces om silica uit industrieel water te verwijderen."

Sandia National Laboratories-onderzoekers, van links naar rechts, Tina Nenoff en Pat Brady en voormalig postdoctoraal aangestelde Koroush Sasan onderzochten hoe hydrotalciet silica uit koeltorenwater bij energiecentrales kan filteren.

Silica verwijderen met een speciaal filter

Nenoff had gewerkt met hydrotalciet, een gelaagd materiaal gemaakt van aluminiumhydroxide, sinds het begin van de jaren 2000, toen ze methoden voor goedkope ontzilting bestudeerde, en dacht dat het materiaal een effectief filter voor silica zou kunnen zijn.

In een tweejarig laboratoriumgericht onderzoeks- en ontwikkelingsproject, Nenoff, Brady en hun onderzoeksteam hebben speciale filters gemaakt, pellets en poeders gemaakt van hydrotalciet om het vermogen van het materiaal om op silica te filteren te bestuderen. Zoals gedocumenteerd in een recent artikel in de Journal of Waste Process Engineering , ze ontdekten dat hydrotalciet ongeveer 90 procent van het opgehoopte silica in gerecycled water kon verwijderen en gedurende vijf of meer cycli kon worden hergebruikt. Deze mogelijkheid om het filter opnieuw te gebruiken en het koeltorenwater te recyclen, kan zowel geld als natuurlijke hulpbronnen besparen.

"Stel je pellets van hydrotalciet of een poeder voor zoals in een drinkwaterfilter, " zei Nenoff. "Het water stroomt door of over het materiaal tijdens het filtratieproces, en de silica uit het water kristalliseert en blijft in het filter terwijl schoner water eruit stroomt."

Het onderzoeksteam ontwierp het hydrotalcietmateriaal om koeltorenwater bij elektriciteitscentrales te filteren. Tijdens het koelproces, een deel van het water verdampt en de mineralen in het water, inclusief silica, opbouwen met elke cyclus.

"Als je het water opwarmt en een deel ervan verdampt, het silica en andere materialen in het water worden meer geconcentreerd, ' zei Brady. 'Op dit moment, u kunt het water misschien een paar keer gebruiken voordat het te geconcentreerd wordt, maar we streven naar 10 of meer cycli, zodat energiecentrales het waterverbruik kunnen verminderen."

Van het laboratorium tot toepassing in de echte wereld

Naast het bestuderen van het materiaal en de effectiviteit ervan, het team wilde bepalen hoe het nieuwe filtratiemateriaal het beste kon worden opgeschaald, zodat het levensvatbaar zou zijn voor grootschalige operaties in energiecentrales. Studenten van de afdeling civiele techniek van de Universiteit van New Mexico, werken onder leiding van professor Kerry Howe, een opschalingsanalyse op het materiaal uitgevoerd, en onderzoekers van Sandia's Livermore, Californië, site voerde een technisch-economische analyse uit om de kosten en energiebesparingen voor toepassingen in de echte wereld te schatten.

"De metingen die we hier doen zijn in bekers ter grootte van een koffiekopje, maar als je in een faciliteit bent zoals een elektriciteitscentrale die een miljoen gallons per dag verbruikt, u wilt weten of hydrotalciet op dat niveau effectief is, ' zei Brady.

Het onderzoeksteam gebruikte de multidisciplinaire aanpak en analyses om hun experimenten te begeleiden om de beste behandeling van hydrotalciet te vinden voor kosten- en energie-efficiënt industrieel gebruik.

"Een groot deel van de industrie heeft al een proces voor het verwijderen van silica dat werkt, maar het kan niet goed werken, " zei Nenoff. "Als resultaat van dit project, we kunnen ze een geschatte kosten- en energiebesparing geven, en zelfs een verwachte levenslange besparing die hydrotalciet zou kunnen bieden ten opzichte van hun huidige methode. Dat soort modellering en analyse geeft meer prikkels om het risico te nemen om een ​​nieuwe methode te implementeren."

Het team heeft drie tijdschriftartikelen gepubliceerd en een voorlopig patent op het filter gekregen.