Terobosan dalam Reverse Osmosis Dapat Menghasilkan Desalinasi Air Laut Paling Hemat Energi Yang Pernah Ada

(Berita Nanowerk) Membuat air tawar dari air laut biasanya membutuhkan energi yang sangat besar. Proses desalinasi yang paling luas disebut reverse osmosis, yang bekerja dengan mengalirkan air laut melalui membran pada tekanan tinggi untuk menghilangkan mineral.

Sekarang, para insinyur Universitas Purdue telah mengembangkan varian dari proses yang disebut “batch reverse osmosis,” yang menjanjikan efisiensi energi yang lebih baik, peralatan yang tahan lama, dan kemampuan untuk memproses air dengan salinitas yang jauh lebih tinggi. Itu bisa menjadi pembuat perbedaan dalam keamanan air di seluruh dunia.

Reverse osmosis digunakan di banyak negara; di tempat-tempat gersang seperti Timur Tengah, lebih dari setengah pasokan air minum segar berasal dari fasilitas desalinasi. Tetapi untuk mempertahankan tingkat tekanan tinggi yang diperlukan untuk proses – hingga 70 kali tekanan atmosfer – pabrik desalinasi harus menggunakan sejumlah besar pompa dan peralatan lainnya. Dan itu menghabiskan banyak energi.

“Sekitar sepertiga dari biaya seumur hidup pabrik desalinasi adalah energi,” kata David Warsinger, asisten profesor teknik mesin Purdue. “Bahkan perbaikan kecil pada proses – perbedaan beberapa poin persentase – dapat menghemat ratusan juta dolar dan membantu menjaga CO2 keluar dari atmosfer.”

Selama pekerjaan doktoralnya di MIT, Warsinger pertama kali mengembangkan gagasan "batch reverse osmosis." Alih-alih menjaga aliran air laut yang konstan pada tingkat tekanan tinggi itu, proses batch mengambil sejumlah air pada satu waktu; memprosesnya; melepaskannya; dan kemudian mengulangi proses dengan batch berikutnya.

“Setiap batch berjalan selama sekitar satu hingga dua menit,” kata Warsinger. “Kami meningkatkan tekanan dari waktu ke waktu, mengurangi volume dari waktu ke waktu, dan kami akhirnya menggunakan lebih sedikit energi untuk menghasilkan jumlah air tawar yang sama.”

Mahasiswa pascasarjana Abimanyu Das (kiri) dan Akshay Rao menyesuaikan tangki piston, komponen kunci untuk proses desalinasi baru yang disebut "osmosis balik batch kerja ganda." (Gambar: Jared Pike, Universitas Purdue)

Meskipun beberapa pabrik desalinasi telah mencoba menggunakan teknik semibatch, tidak ada yang pernah menerapkan sistem batch penuh – sebagian karena jeda waktu antar batch.

“Butuh waktu dan energi untuk memompa setiap batch air keluar, dan kemudian memompa batch air berikutnya untuk diproses,” kata Warsinger. “Menghabiskan waktu dan energi itu umumnya membatalkan keuntungan efisiensi yang akan Anda dapatkan dari menggunakan proses batch. Itulah mengapa kami mengembangkan solusi yang disebut 'osmosis balik batch kerja ganda.'”

Piston tugas ganda

Proses baru ini menggunakan tangki piston — bejana bertekanan tinggi dengan piston di tengah. Sementara satu sisi piston mengirimkan air laut ke depan ke loop pemrosesan, sisi lain piston secara bersamaan mengisi dengan batch air laut berikutnya dalam antrian. Ketika satu proses batch berakhir, piston dengan mulus menyuntikkan batch air laut berikutnya ke dalam sistem sambil secara bersamaan mengisi sisi lainnya dengan batch air laut berikutnya dalam antrian, dan proses berulang terus menerus.

“Alih-alih mengosongkan piston sepenuhnya setiap kali atau menggunakan cairan atau gas lain untuk menekan piston, kami mengisinya dengan batch air laut berikutnya,” kata Warsinger. “Jadi, daripada satu sisi piston yang pada dasarnya adalah ruang mati, kami menggunakan air laut itu sendiri untuk mengeluarkan tugas ganda dari piston ini, jadi hampir tidak ada waktu henti.

“Menurut model kami, sistem yang diusulkan ini menawarkan konsumsi energi terendah yang pernah ada untuk desalinasi air laut. Ini adalah pencapaian terbaik di kelasnya.”

Penelitian mereka telah dipublikasikan diDesalinasi (GG quot;Konfigurasi reverse osmosis batch kerja ganda untuk efisiensi terbaik di kelasnya dan downtime" yang rendah;).

“Waktu henti benar-benar sesuatu yang ingin Anda hindari,” kata Sandra Cordoba, mahasiswa master Purdue di bidang teknik mesin dan penulis pertama makalah ini. “Jika Anda harus memperbaiki sistem setelah setiap siklus, Anda kehilangan semua efisiensi energi Anda. Mengurangi atau menghilangkan downtime itu adalah hal utama yang membuat batch reverse osmosis menjadi layak.”

Cordoba juga mengembangkan model hidrolik teoretis yang digunakan dalam makalah ini.

“Reverse osmosis adalah proses yang kompleks,” kata Cordoba. “Untuk mengukur keberhasilannya, Anda harus melacak banyak variabel: tekanan air, volume, salinitas, rasio pemulihan, waktu dan energi. Dengan model ini, kami dapat menentukan jumlah tekanan yang tepat dari waktu ke waktu untuk mencapai hasil terbaik menggunakan jumlah energi minimum.”

Berapa ukuran tangki piston? Itu tergantung pada ukuran sistem.

“Reverse osmosis beroperasi pada berbagai skala,” kata Warsinger. “Rumah tangga di India sering memiliki sistem osmosis terbalik mikro untuk rumah mereka sendiri, di mana Anda dapat memegangnya di tangan Anda. Untuk percobaan kami, kami telah membangun sistem model di mana tangki piston seukuran alat pemadam kebakaran. Di pabrik skala penuh, panjangnya bisa mencapai seratus kaki. Tapi keindahannya adalah bahwa itu bukan peralatan yang rumit; itu pada dasarnya sebuah pipa, dengan piston kedap air di tengah. Tapi tangki piston itu mengubah segalanya.”

Laboratorium Warsinger telah menggunakan pengembangan batch kerja ganda ini untuk mendorong beberapa kemajuan baru dalam desalinasi. Abimanyu Das, Ph.D. mahasiswa di bidang teknik mesin, telah menerbitkan penelitian yang menjelaskan varian dari proses yang disebut "batch counterflow reverse osmosis." Dengan mensirkulasi ulang konsentrasi air tertentu di kedua sisi membran, proses Das terbukti menjadi proses desalinasi yang paling hemat energi untuk air dengan salinitas tinggi, sementara membutuhkan lebih sedikit komponen. Dan mahasiswa master Purdue Michael Roggenburg telah menerbitkan penelitian yang menunjukkan bahwa kombinasi batch reverse osmosis dan energi terbarukan dapat memberikan air segar ke seluruh perbatasan 1.954 mil antara AS dan Meksiko.

“Keamanan air adalah masalah besar di seluruh dunia, yang telah saya habiskan sepanjang karir saya untuk mengerjakannya,” kata Warsinger. “Hasil ini dengan batch reverse osmosis benar-benar menarik. Jika kita menurunkan biaya sedikit saja, maka desalinasi menjadi pilihan yang layak untuk lebih banyak tempat. Itu bisa menjadi transformatif.”