Kraftverk drar mer sötvatten än någon annan konsument i USA, står för mer än 50 procent av landets sötvattenanvändning på cirka 500 miljarder liter dagligen.

För att hjälpa till att rädda detta vatten, Forskare vid Sandia National Laboratories har utvecklat ett nytt kiseldioxidfilter för kraftverks kylvatten som minskar mängden sötvattenkraftverk som förbrukar genom att öka antalet gånger kyltornsvatten kan återanvändas och återvinnas.

"Vi har en begränsad mängd vatten i det här landet att använda för allt från dricksvatten till uppfödning av boskap, och global befolkning och efterfrågan växer, " sa Sandia geokemist Pat Brady. "Om du kan återvinna vattnet som används vid kraftverk, det frigör mycket mer vatten för hushålls- och personligt bruk."

Medan kraftverk redan återvinner sötvatten, antalet gånger en sats vatten kan återanvändas begränsas av mängden kiseldioxid som byggs upp vid varje cykel. Kiseldioxid är en vanlig, naturligt förekommande ämne i sötvatten med begränsad löslighet, och är benägen att bilda fjäll på turbiner, pannor, värmeväxlare, överföringsrör och annan utrustning. Denna uppbyggnad är problematisk eftersom den kan störa utrustningens funktion och är kostsam att förhindra. Kostnaden för att behandla och återvinna vatten som används vid kraftverk beräknas vara 1,5 till 2 gånger kostnaden för sötvatten, ofta på grund av det höga priset på nuvarande metoder för borttagning av kiseldioxid.

"När du har ansamling av kiseldioxid, värmeöverföring är ett problem, igensättning är ett problem och korrosion är ett problem, " sa Sandia kemist Tina Nenoff. "Så, vårt projekt fokuserade på att hitta ett energi- och kostnadseffektivt material och en process för att ta bort kiseldioxid från industrivatten."

Sandia National Laboratories forskare, vänster till höger, Tina Nenoff och Pat Brady och tidigare postdoktorn Koroush Sasan studerade hur hydrotalcit kan filtrera ut kiseldioxid från kyltornsvatten vid kraftverk.

Ta bort kiseldioxid med ett speciellt filter

Nenoff hade arbetat med hydrotalcit, ett skiktat material tillverkat av aluminiumhydroxid, sedan början av 2000-talet när hon studerade metoder för lågkostnadsavsaltning, och trodde att materialet kunde vara ett effektivt filter för kiseldioxid.

I ett tvåårigt laboratoriestyrt forsknings- och utvecklingsprojekt, Nenoff, Brady och deras forskargrupp skapade speciella filter, pellets och pulver gjorda av hydrotalcit för att studera materialets förmåga att filtrera efter kiseldioxid. Som dokumenterats i en ny artikel i Journal of Waste Process Engineering , de fann att hydrotalcit kunde ta bort cirka 90 procent av ackumulerad kiseldioxid i återvunnet vatten och återanvändas i fem eller fler cykler. Denna förmåga att återanvända filtret och återvinna kyltornsvattnet kan spara både pengar och naturresurser.

"Tänk dig pellets av hydrotalcit eller ett pulver som det som finns i ett dricksvattenfilter, " sa Nenoff. "Vattnet strömmar genom eller över materialet under filtreringsprocessen, och kiseldioxiden från vattnet kristalliseras och stannar kvar i filtret medan renare vatten rinner ut."

Forskargruppen designade hydrotalcitmaterialet som ska användas för att filtrera kyltornsvatten vid kraftverk. Under kylningsprocessen, en del av vattnet avdunstar och mineralerna i vattnet, inklusive kiseldioxid, byggas upp med varje cykel.

"När du värmer upp vattnet och en del av det avdunstar, kiseldioxiden och andra material i vattnet blir mer koncentrerade, " sa Brady. "Just nu, du kanske kan använda vattnet i några cykler innan det blir för koncentrerat, men vi siktar på 10 eller fler cykler så att kraftverk kan dra ner på vattenanvändningen."

Från labbet till verkliga tillämpningar

Förutom att studera materialet och dess effektivitet, teamet ville bestämma hur man bäst skulle skala upp det nya filtreringsmaterialet så att det skulle vara lönsamt för storskalig verksamhet vid kraftverk. Studenter vid University of New Mexicos civilingenjörsavdelning, arbetar under ledning av professor Kerry Howe, gjort en uppskalningsanalys av materialet, och forskare vid Sandia's Livermore, Kalifornien, webbplatsen utförde en teknisk-ekonomisk analys för att uppskatta kostnads- och energibesparingar för verkliga tillämpningar.

"Mätningarna vi gör här är i bägare stora som en kaffekopp, men när du är på en anläggning som ett kraftverk som använder en miljon liter om dagen, du vill veta om hydrotalcit kommer att vara effektivt på den nivån, " sa Brady.

Forskargruppen använde det multidisciplinära tillvägagångssättet och analyserna för att vägleda sina experiment för att hitta den bästa behandlingen av hydrotalcit för kostnads- och energieffektiv industriell användning.

"Många av industrin kommer redan att ha en process för att avlägsna kiseldioxid som fungerar, men det kanske inte fungerar bra, ", sa Nenoff. "Som ett resultat av detta projekt, vi kommer att kunna ge dem en uppskattad kostnad och energibesparing, och till och med en beräknad livstidsbesparing som hydrotalcit kan ge jämfört med deras nuvarande metod. Den typen av modellering och analys ger mer incitament att ta risken att implementera en ny metod."

Teamet har publicerat tre tidskriftsartiklar och fått ett provisoriskt patent för filtret.