Avsaltningsindustrin, en kritisk källa till dricksvatten i många torra regioner, genererade mer än 13 miljarder dollar förra året och förväntas fördubblas inom ett decennium. De flesta avsaltningsanläggningar använder idag en process som kallas omvänd osmos (RO), som tvingar vatten genom enorma rullar av membran, lämnar saltet bakom sig. En av de dyraste operativa utmaningarna för sådana anläggningar är nedsmutsningen av dessa membran av mikroorganismer.

Nu, forskning från MIT föreslår ett annat tillvägagångssätt för att minska nedsmutsningshastigheten och därmed förbättra effektiviteten hos RO-anläggningar.

Den rådande idén i branschen har varit att det höga tryck som krävs av RO är ansvarigt för den relativt höga nedsmutsningsgraden, jämfört med andra system som framåt osmos. Men MIT-studien visar att så inte är fallet, ett fynd som öppnar upp för nya tillvägagångssätt för att minska nedsmutsning i RO. Forskningen, av Emily Tow '12, SM '14, PhD '17 och MIT professor John H. Lienhard V, publicerades nyligen i Journal of Membrane Science och presenterades vid 2017 AMTA/AWWA Membrane Technology Conference, där den fick utmärkelsen Student Best Paper Award.

Många experter tror att det höga trycket i ett RO-system komprimerar de mikrobiella mattorna som växer på membranen, och att denna "komprimering" gör utväxten mycket svårare att ta bort. I kontrast, i lågtryckssystem framåt osmos (FO), som är mindre energieffektiva men mer nedsmutsningsbeständiga, den förmodat lösare mattan anses vara lättare att rengöra.

Dock, dessa mikrobiella mattor är vanligtvis fulla med vatten, som inte komprimeras under RO-tryck, så "det finns ingen bra anledning till varför högt tryck skulle förvärra påväxt, " säger Tow. Hon jämför mikroberna med en dykare:"Det är mycket tryck på botten av havet, men det får dig inte att hålla dig till havsbotten." Men om trycket inte spelar någon roll, och flödeshastigheterna genom FO- och RO-system är liknande, vad kan förklara skillnaden i nedsmutsningsmotstånd?

Bogsera, som nu är ITRI-Rosenfeld postdoktor vid Lawrence Berkeley National Laboratory och kommer att bli professor i maskinteknik vid Olin College nästa år, utarbetat ett nytt tillvägagångssätt för att isolera effekterna av tryck från effekterna av andra skillnader mellan FO och RO. Hennes metod innebär att man använder ett FO-system, som använder osmos för att dra vatten genom membran, vid ett intervall av tryck upp till 40 atmosfärer.

"Vi mätte nedsmutsningsfrekvens och städresultat, och till och med inspelad video av membranen som rengörs vid olika tryck, och vi hittade ingen effekt av tryck, " säger hon. Många mycket citerade tidningar hävdade att trycket var problemet, men tidigare experiment varierade också koncentrationen av lösningen på baksidan av membranet vid varierande tryck. Genom att höja trycket på båda sidor av ett FO-system utan att ändra något annat, MIT-studien visade att tryck ensamt inte förvärrar nedsmutsning eller hindrar rengöring.

Nu när högt tryck – vilket är viktigt för att RO ska fungera – har visat sig inte påverka nedsmutsning, forskare bör leta efter andra skäl till att processer som FO är mer nedsmutsningsbeständiga och se om de kan tillämpas på RO, säger Tow.

"Iakttagelsen att framåtgående osmosmembran är lättare att rengöra är ganska robust, säger Lienhard, som är Abdul Latif Jameel professor i vatten och mat och chef för Center for Clean Water and Clean Energy och Abdul Latif Jameel World Water and Food Security Lab. Men den nya studien visar att FO:s nedsmutsningsmotstånd "inte är inneboende i dess låga tryck. Skillnaden måste relateras till andra faktorer som potentiellt kan överföras till RO. Det måste förstås, " han säger.

"Förhoppningen är att med ytterligare arbete, detta kan göra det lättare att rengöra RO-membran, " säger han. För närvarande, dämpande membrannedsmutsning är en stor del av driftskostnaderna för en RO-anläggning som inte är energirelaterade, som står för ungefär en fjärdedel av kostnaden för avsaltat vatten. Varje förbättring av nedsmutsningsmotståndet kan avsevärt påverka vattenkostnaden.

Det är möjligt att skillnaden i hur nedsmutsning påverkar RO- och FO-membran har att göra med membranets stödskikt, som är stödet på det tunna, saltfiltrerande skikt. Info, växelverkan mellan stödskiktet och den koncentrerade lösningen som den berör påverkar mönstret för vattenflödet genom membranet, som dikterar hur föroreningar byggs upp på membranytan, säger Tow. Framtida RO-membran kan utformas så att nedsmutsning sker i ett mönster som liknar det för FO, eller till och med ett nytt mönster optimerat för enkel rengöring.

Att förbättra förmågan att rengöra använda membran kan påverka inte bara vattenkostnaden utan också tillförlitligheten hos avsaltningsanläggningar, påpekar Lienhard. "Stängningar på grund av en algblomning kan ibland avbryta tillförseln av vatten i dagar eller veckor i sträck, " säger han. Förstår grunderna för nedsmutsning, inklusive effekten av tryck, möjliggör utveckling av mer riktade metoder för nedsmutsning.

Denna forskning "debunkerar den utbredda uppfattningen att tryck orsakar eller komplicerar nedsmutsning i system med omvänd osmos, och motsvarande övertygelse att brist på tryck minskar nedsmutsning i främre osmossystem, " säger Richard L. Stover, direktör för International Desalination Association, som inte var involverad i detta arbete. Den nya studien, han säger, "identifierar antaganden som påverkade eller begränsade tolkningen av testdata i [tidigare] studier och bidrar med nya experimentella data som tydligt och definitivt bevisar dess tes."

De nya mekanismerna som forskarna föreslår "förklarar kvalitativt nedsmutsningsmotståndet som observeras i FO-system, ger tydlig riktning och enastående sammanhang för framtida forskning, " Stover säger. "Sammantaget, uppsatsen representerar ett betydande bidrag till den bredare förståelsen av membranföroreningsmekanismer och deras möjliga minskning. Enkelt uttryckt, det är ett bra stycke arbete."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.