Une percée dans le domaine de l’osmose inverse pourrait conduire au dessalement d’eau de mer le plus économe en énergie jamais réalisé

Une percée dans le domaine de l'osmose inverse pourrait conduire au dessalement d'eau de mer le plus économe en énergie jamais réalisé

Les étudiants diplômés Abhimanyu Das (à gauche) et Akshay Rao ajustent un réservoir à piston, l’élément clé d’un nouveau processus de dessalement appelé «osmose inverse par lots à double effet». Crédit: Photo de l’Université Purdue / Jared Pike

Produire de l’eau douce avec de l’eau de mer nécessite généralement d’énormes quantités d’énergie. Le processus de dessalement le plus répandu est appelé osmose inverse, qui fonctionne en faisant couler de l’eau de mer sur une membrane à haute pression pour éliminer les minéraux.

Désormais, les ingénieurs de l’Université Purdue ont développé une variante du procédé appelée «osmose inverse par lots», qui promet une meilleure efficacité énergétique, des équipements plus durables et la capacité de traiter de l’eau de salinité beaucoup plus élevée. Cela pourrait devenir un facteur de différence dans la sécurité de l’eau dans le monde.

L’osmose inverse est utilisée dans de nombreux pays; dans les régions arides comme le Moyen-Orient, plus de la moitié des approvisionnements en eau potable fraîche proviennent d’installations de dessalement. Mais pour maintenir le niveau de pression élevé requis pour le processus – jusqu’à 70 fois la pression atmosphérique – une usine de dessalement doit utiliser un grand nombre de pompes et d’autres équipements. Et cela consomme beaucoup d’énergie.

«Environ un tiers du coût à vie d’une usine de dessalement est l’énergie», a déclaré David Warsinger, professeur adjoint de génie mécanique à Purdue. «Même de petites améliorations du processus – quelques points de pourcentage de différence – peuvent économiser des centaines de millions de dollars et aider à conserver le CO2 hors de l’atmosphère. « 

Au cours de son travail de doctorat au MIT, Warsinger a d’abord développé l’idée de «l’osmose inverse par lots». Plutôt que de maintenir un débit constant d’eau de mer à ces niveaux de pression élevés, un processus par lots absorbe une quantité déterminée d’eau à la fois; le traite; le décharge; puis répète le processus avec le lot suivant.

« Chaque lot dure environ une à deux minutes », a déclaré Warsinger. « Nous augmentons la pression au fil du temps, réduisons le volume au fil du temps, et nous finissons par utiliser beaucoup moins d’énergie pour produire la même quantité d’eau douce. »

Bien que certaines usines de dessalement aient tenté d’utiliser des techniques de semi-lots, aucune n’a jamais mis en œuvre un système de lots complets, en partie à cause des pauses entre les lots.

« Il faut du temps et de l’énergie pour pomper chaque lot d’eau, puis pomper le prochain lot d’eau pour le traitement », a déclaré Warsinger. « Dépenser ce temps et cette énergie annule généralement les gains d’efficacité que vous obtiendriez en utilisant le processus par lots. C’est pourquoi nous avons développé une solution appelée« osmose inverse par lots à double effet ». »

Piston à double usage

Ce nouveau procédé utilise un réservoir à piston – un récipient haute pression avec un piston au milieu. Alors qu’un côté du piston envoie l’eau de mer vers l’avant dans la boucle de traitement, l’autre côté du piston se remplit simultanément avec le prochain lot d’eau de mer dans la file d’attente. Lorsqu’un processus par lots se termine, le piston injecte de manière transparente le prochain lot d’eau de mer dans le système tout en remplissant simultanément son autre côté avec le prochain lot d’eau de mer dans la file d’attente, et le processus se répète en continu.

« Au lieu de vider complètement le piston à chaque fois ou d’utiliser un autre liquide ou gaz pour pressuriser le piston, nous le remplissons avec le prochain lot d’eau de mer », a déclaré Warsinger. «Ainsi, plutôt qu’un côté du piston soit essentiellement un espace mort, nous utilisons l’eau de mer elle-même pour obtenir une double fonction de ce piston, donc il n’y a presque pas de temps d’arrêt.

« Selon nos modèles, ce système proposé offre la plus faible consommation d’énergie jamais réalisée pour le dessalement de l’eau de mer. Il s’agit d’une étape de premier ordre. »

Leurs recherches ont été publiées dans Dessalement.

«Les temps d’arrêt sont vraiment quelque chose que vous voulez éviter», a déclaré Sandra Cordoba, étudiante à la maîtrise Purdue en génie mécanique et première auteur de l’article. « Si vous devez entretenir le système après chaque cycle, vous perdez toute votre efficacité énergétique. Réduire ou éliminer ces temps d’arrêt est l’élément clé qui rend possible l’osmose inverse par lots. »

Cordoue a également développé les modèles hydrauliques théoriques utilisés dans l’article.

« L’osmose inverse est un processus complexe », a déclaré Cordoba. « Pour évaluer son succès, vous devez suivre de nombreuses variables: la pression de l’eau, le volume, la salinité, le taux de récupération, le temps et l’énergie. Avec ces modèles, nous avons pu déterminer la bonne quantité de pression au fil du temps pour obtenir les meilleurs résultats en utilisant le quantité minimale d’énergie. « 

Quelle est la taille du réservoir à piston? Cela dépend de la taille du système.

« L’osmose inverse fonctionne sur une large gamme d’échelles », a déclaré Warsinger. « Les ménages en Inde ont souvent un système de micro osmose inverse pour leur propre maison, où vous pouvez le tenir entre vos mains. Pour nos expériences, nous avons construit un système modèle où le réservoir à piston a à peu près la taille d’un extincteur. En une usine à grande échelle, elle pourrait mesurer 30 mètres de long. Mais la beauté de celle-ci est que ce n’est pas un équipement complexe; c’est essentiellement un tuyau, avec un piston étanche au milieu. Mais ce réservoir à piston change tout . « 

Le laboratoire de Warsinger a utilisé ce développement par lots à double effet pour alimenter plusieurs nouvelles avancées en matière de dessalement. Abhimanyu Das, un Ph.D. Purdue. étudiant en génie mécanique, a publié une recherche décrivant une variante du procédé appelée «osmose inverse par lots à contre-courant». En recirculant certaines concentrations d’eau des deux côtés de la membrane, le procédé de Das s’avère être le procédé de dessalement le plus économe en énergie pour l’eau à haute salinité, tout en nécessitant moins de composants. Et l’étudiant à la maîtrise de Purdue, Michael Roggenburg, a publié des recherches montrant qu’une combinaison d’osmose inverse par lots et d’énergie renouvelable pourrait éventuellement fournir de l’eau douce sur toute la frontière de 1 954 milles entre les États-Unis et le Mexique.

« La sécurité de l’eau est un problème majeur dans le monde, sur lequel j’ai passé toute ma carrière à travailler », a déclaré Warsinger. « Ces résultats avec l’osmose inverse par lots sont vraiment excitants. Si nous réduisons un peu le coût, alors le dessalement devient une option viable pour plus d’endroits. Cela pourrait être transformateur. »


Une étude montre que le dessalement par osmose directe n’est pas économe en énergie


Plus d’information:
Sandra Cordoba et coll. Configuration d’osmose inverse par lots à double effet pour une efficacité optimale et de faibles temps d’arrêt, Dessalement (2021). DOI: 10.1016 / j.desal.2021.114959

Fourni par Purdue University

Citation: Une percée dans le domaine de l’osmose inverse pourrait conduire au dessalement d’eau de mer le plus économe en énergie jamais réalisé (2021, 13 mai) récupéré le 13 mai 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-05-breakthrough-reverse-osmosis-energy-effic- seawater.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.