Ett avsaltningssystem för havsvatten baserat på en kombination av enheter för membrandestillation med vakuum och för adsorptionsavsaltning är föreslaget och modellberäknat. Systemet använder solenergi och arbetar vid låga temperaturer.
Av: Jörgen Hanaeus
Det föreslagna systemet kombinerar två framväxande teknologier för avsaltning: Membrandestillation med vakuum samt adsorption av vattenånga. Kombinationen gör att vakuumpumpen kan uteslutas och att förhållandevis låga temperaturer behövs, vilket gör att solenergi blir högst användbart. Ekvationer för ingående delprocesser har uppställts och modellberäkning utförts. Membrandestillation med vakuum-metoden enbart har använts som jämförelseobjekt och den kombinerade metoden beräknades då vara kring 20 % effektivare i vattenproduktion.
Artikeln
Den samlade avsaltningskapaciteten i världen växer snabbt och särskilt i Mellersta Östern och Nordafrika. Trots en rask teknikutveckling nyttjas tekniken enbart i energirika länder beroende på stor energiåtgång, vilken ofta tillgodosetts med fossila bränslen. Den kräver också skolad personal.
Det är alltså en utmaning att söka efter processer som antingen har högre verkningsgrad avseende energiåtgång eller kan använda mer lågvärdiga energiformer. Förnyelsebar energi, t ex solenergi eller geotermisk energi ligger då nära till hands. Då ökar även möjligheterna till avsaltning för avlägset belägna orter.
Här presenteras ett hybridkoncept med avsaltning baserad på en lågtemperaturkälla via solenergi och bestående av två teknologier: vakuum membran destillation (VMD) och adsorptionsavsaltning (AD). Dessa har fördelen jämfört med konventionell avsaltning att de kan arbeta vid förhållandevis låga temperaturer och med varierande belastning; är inte så känsliga för ingående salthalt.
Beträffande adsorptionsavsaltning används här en adsorbent för vattenångan baserad på kiselgel med pordiameter 10-40 nm och en total poryta av ca 700 m2/g. Den kan vid mättnad regenereras med låga temperaturer, 55-85 °C. Då frigörs ånga som får kondensera i en extern kondensor. Kiselgelen är billig och lätt att lagra.
En AD-cykel består av två perioder med längder varierande mellan 3 och 12 minuter och med växlingsintervall om 20-40 sekunder för att förvärma eller kyla enheterna. AD-cykeln är energieffektiv och kräver lågt underhåll eftersom den har få rörliga delar.
Membrandestillation är en termiskt driven process som nyttjar ett hydrofobt mikroporöst membran för att underlätta separationen vatten-ånga. Drivkraften är skillnaden i ångtryck vid membranets ytor; varmt vatten in och kallt permeat. Det varma vattnet möter membranet, varvid enbart ångan kan passera dess torra porer och kondensera på den kallare sidan. MD finns i flera utföranden, t ex vakuum membrandestillation (VMD) som anses ge den högsta fluxen och effektivaste värmeåtervinningen.
Processchemor för en soldriven flerstegs VMD samt för ett VMD-AD hybridavsaltningssystem visas i artikeln. Huvudkomponenter är solvärmeenheten, som består av en kollektor för solvärme och en energilagrande enhet som förmedlar uppvärmt saltvatten till membranmodulerna genom lagringstankar. Vidare en temperaturmodulator, som återför överskottsvärme för användning under kallare delar av dygnet och möter inkommande saltvatten i en plattvärmeväxlare. En extern värmekälla kan också kopplas in.
Vidare ingår en värmeåtervinningsenhet, som nyttjar kvarvarande ånga i permeatet, och vakuumdestillationsmoduler av tubtyp med hålfiber samt för det kombinerade systemet en adsorptionsmodul.
Teoretisk modell
En beräkningsmodell ställdes upp utifrån värmeöverföringar, hydrauliska fenomen vid kontaktytorna samt differenser i saltkoncentration och beräkningsstegen med antagna ingångsdata redovisas i artikeln.
Resultat
Beräkningarna gav permeatflux (kg/m2,h) genom VMD-enheten som funktion av ingångstemperatur och vattenhastighet in. Högre värden på dessa ökade fluxen.
Avslutningsvis jämfördes beräkningsutfallet mellan enbart VMD-system och VMD+AD-system. Den totala vattenproduktionen och återvinningsgraden (permeatandelen) blev 21 % resp 23 % högre.
Slutsatser
Referatet återger inte processerna rättvist; till det behövs processchemorna som underlag. Goda kunskaper i fysik eller kemisk apparatteknik underlättar läsandet av den teoretiska modellen. Budskapet här är främst att utvecklingen är snabb på avsaltningsområdet och att soldrivna system rationaliseras. Det är intressant för de delar av Sverige som av och till drabbas av sötvattenbrist, såsom Gotland och kustnära permanentningsområden. Det aktuella projektet har finansierats från Sydkorea och Saudiarabien.
Källa: Kim*, Y-D.a,b), Thu, K.b,c), Ng, K.C.b), Amy, G.L.b)& Ghaffour, N.b):”A novel integrated thermal/membrane-based solar energy-driven hybrid desalination system: Concept description and simulation results”. Water Research 100, 7-19.
Författarna:
a) Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, 55 Hanyangdaehak-ro, Sangnok-gu, Ansan, Geyonggi-do 15588, Republic of Korea.
b) Water Desalination and Reuse Center, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Thuwal 23955-6900, Saudi Arabia.
c) Green Asia Education Center. Interdisciplinary Graduate School of Engineering Sciences, Kyushu University, 6-1 Kasuga-koen, Kasuga Fukuoka 816-8580, Japan
*Corresponding author: youngdeuk@hanyang.ac.kr
