新しい水処理技術は超塩分濃度の高い水でもリサイクルできる可能性がある

研究者らは、理論的な設計が塩辛い水をきれいな飲料水に変える最も手頃な方法である可能性があることを発見

による

発行済み

研究者らは、理論的な設計が塩辛い水をきれいな飲料水に変える最も手頃な方法である可能性があることを発見

気候変動により米国南西部に大干ばつが発生する中、同国は憂慮すべき記録を打ち立てている。 何百万人もの人々に水を供給しているミード湖の水位は、過去最低付近で推移している。 そして、場所によっては、約500万エーカーの農地を灌漑し、4,000万人以上の人々の渇きを潤している縮小するコロラド川が、ただの砂漠と塵に過ぎない。

一方、2018年の時点で、農業、発電所、鉱山で使用される水を含む国の廃水の約80％は、未処理で利用できないまま世界に捨てられており、機会が無駄になっている。 そして、逆浸透と呼ばれるプロセスを使用する今日の主力の浄化技術は、依然として海水と塩分濃度の高い地下水を処理する最も費用対効果とエネルギー効率の高い方法ですが、従来の逆浸透では、超塩分を含む水、つまり塩分の 2 倍を含む水には対応できません。海の塩分。 米国の水供給量が減少し（そして塩分が増加し）、この国はもはや最も塩分濃度の高い水源であっても世界に廃棄する余裕はありません。

今回、Desalination 誌に掲載された新しい研究で、National Alliance for Water Innovation (NAWI) 研究コンソーシアムのメンバーは、低塩除去逆浸透と呼ばれる逆浸透の新たな形態を分析しました。 これらの新しいシステムは、塩分濃度の高い水でも処理できます。 しかし、この設計は非常に新しいため、まだ理論上の段階にあります。

そこで、これらの技術が他の水処理オプションとどのように競合するかを知るために、NAWI 研究チームは、スーパーコンピューターの助けを借りて、130,000 以上の潜在的なシステムのコスト、浄水出力、エネルギー消費を迅速に評価できる数学的モデルを開発しました。デザイン。 彼らの結果は、多くの場合、低塩分除去率の逆浸透が最も費用対効果の高い選択肢となる可能性があり、上水製造の総コストを最大 63% 削減できる可能性があることを示しています。

「この研究の最終目標は、現実世界ではまだテストされていないが、高水回収率の淡水化を可能にする可能性を秘めた新技術の徹底的な技術経済的評価を行うことです」とアダム・アティア氏は述べた。国立エネルギー技術研究所の上級エンジニアであり、論文の筆頭著者。

低塩分除去逆浸透システムの潜在的なコストと効率を評価した研究はいくつかありますが、この研究では、その設計、操作、および性能のより包括的な分析が提供されています。 これらの理論的システムの潜在的な可能性をより深く理解するために、チームはスーパーコンピューターを使用して、最も最適でコスト効率の高い設計に磨きをかけました。 次に、それらの設計が（ほんの一握りではなく）何十万ものシナリオでどのように機能するかを調査しました。

低塩分除去率の逆浸透システムでは、より多くの塩が各膜を通過できるため、水を押し出すために必要な力が少なくなり、エネルギーも少なくなります。 しかし、さらに多くの塩が絞り出されても、当然のことながら、得られる水は依然として塩分が強すぎて飲むことができません。 飲料水を製造するには、このまだ塩分濃度の高い水が前の膜段階にリサイクルされて戻されます。 塩分濃度が十分に低くなると、残りは標準的な逆浸透膜で処理され、高品質の飲料水が生成されます。

こうしたすべてのリサイクルにより、システムはさらに複雑になります。 そこで、チームは次のことを調べる必要がありました。最適な膜ステージはいくつあるのか? リサイクル ループは何回必要ですか? そして、これらのループによってどれくらいのコストとエネルギーが追加されるのでしょうか? これらの質問に答えるために、研究者は、各設計が異なる塩分濃度の水からどのくらいの量のきれいな水を生成できるかを個別に計算できます。

「それを解決するには、本当に、本当に、本当に長い時間がかかる可能性があります」と、国立再生可能エネルギー研究所（NREL）の研究者であり、この研究の著者でもあるイーサン・ヤング氏は言う。 「ハイパフォーマンス コンピューティングを使用することで、数分でそれを行うことができました。」

そして、その数分間で、彼らは 1 つではなく、何十万もの潜在的なシナリオを検討しました。

「私たちの研究の新規性は、この分析にもたらした計算力です」とNREL研究員で著者のバーナード(ベン)・クヌーベン氏は付け加えた。

スーパーコンピューターがなければ、これらすべての計算には 1 時間、あるいは数分ではなく、約 88 日かかるだろうとヤング氏は言います。 もちろん、スーパーコンピューターには、これらの複雑な設計問題を迅速かつ正確に解決するために、クヌーベンとヤングの数学的魔法も必要でした。

これらすべての迅速な計算により、研究チームは、低塩分除去率の逆浸透が、少なくとも 1 リットルあたり 125 グラム未満の塩を含む水の場合、コストとエネルギー使用量の両方で競合他社を上回る可能性があることを発見しました。 しかし、チームのモデルは、他の研究チームが最も有望なシステム設計を特定、構築、テストするのにも役立つ可能性があります。

「こうしたコンピューター解析を行うことで、実験者たちに『ああ、これは研究すべき興味深いことがらだ』とか、『いや、これはおそらく完全に除外される』と言える情報を提供できるのが希望だ」とクヌーベン氏は語った。

このモデルは、一般に実験者が逆浸透システムの最適な設計に焦点を当てるのに役立つように拡張することもできます。 彼らの研究は、NAWI の水処理技術経済評価プラットフォーム (WaterTAP) を使用し、またそれに追加した最初の研究です。 公的に入手可能なソフトウェア ツールである WaterTAP を使用すると、ユーザーはさまざまな水処理技術をモデル化してシミュレーションし、コスト、エネルギー、環境のトレードオフを評価できます。

クヌーベン氏は、NREL、ローレンス・バークレー国立研究所、ローレンス・バークレー国立研究所との協力によって構築された WaterTAP について、「これはとても素晴らしいことだと思います。私たちは、私たちや他の研究者が新しくてエキサイティングな技術の可能性を評価するのに役立つツールを構築しているところです」と語った。国立エネルギー技術研究所、オークリッジ国立研究所、およびカリフォルニア大学理事会。

次に、研究者らは実験チームと提携して、低塩分除去率の逆浸透システムが現実世界でどのように機能するかを構築し、評価したいと考えています。 たとえば、ミネラルの蓄積はシステムの速度を低下させる可能性があるため、将来の評価で考慮する必要があります。

それでも、アティア氏は、この新たな形態の逆浸透は、高塩分源からの水を最大限に回収するための貴重なツールになる可能性があると述べた。 「そして私たちのモデルは、テクノロジーの展開をサポートする上で重要な役割を果たすことができます」と彼は言いました。

「私にとって、これは、少しの計算と少しの最適化で何ができるかを示すものです。」とクヌーベン氏は語った。

米国に手頃な価格でエネルギー効率が高く、回復力のある水の供給を確保するための NAWI とそのメンバーの取り組みについて詳しくご覧ください。

National Alliance for Water Innovation は、脱塩のコストとエネルギーを根本的に削減するために必要な重要な技術的障壁と研究を検討するために、業界および学術パートナーからなる世界クラスのチームを結集する官民パートナーシップです。 この提携は、米国エネルギー省のローレンス・バークレー国立研究所が国立エネルギー技術研究所、国立再生可能エネルギー研究所、オークリッジ国立研究所と協力して主導しており、米国エネルギー省の産業効率・脱炭素化局から資金提供を受けている。

記事の提供：国立再生可能エネルギー研究所。

ケイトリン・マクダーモット・マーフィー著

米国エネルギー省の使命は、革新的な科学技術ソリューションを通じてエネルギー、環境、原子力の課題に対処し、米国の安全と繁栄を確保することです。 もっと詳しく知る。

CleanTechnica で広告を出して、毎月何百万人もの読者にあなたの会社を知ってもらいましょう。

米国エネルギー省 (DOE) と国家水イノベーション同盟 (NAWI) は、環境を改善する 12 のプロジェクトの選択を発表しました。

『砂丘』のワンシーンのように、フランスとモロッコのスタートアップ Sand to Green は、砂漠を脅威から食料生産者に変えることを目指しています。 それは教訓です...

2022年4月、エンジニアのチームが雪を求めてカリフォルニアのシエラネバダ山脈をハイキングした。 代わりに、彼らはほとんどむき出しの乾いた土を見つけました...

アブダビの新興企業メンハットは、二酸化炭素を排出せず太陽光で稼働する浮遊式淡水化システムを作る方法を見つけたと述べた。