Högpresterande vattenfiltreringssystem – nödvändiga för att minska vattenbrist – kan också minska kostnader och energiförbrukning, visar en ny analys som leds av Northwestern University.

I den nya studien utförde forskarna en högnivåanalys av membranfiltreringssystem för att utvärdera kostnad, energiförbrukning och utsläpp av växthusgaser i samband med avsaltning och avloppsvattenrening. Forskarna undersökte specifikt antifouling-membran, ett högpresterande filtreringssystem som motstår ansamling av föroreningar.

Även om smutsresistenta membran kan kosta mer pengar när de köps, kostar de mindre under sin livstid än billigare, icke smutsresistenta membran, som kräver frekvent rengöring och måste bytas ut oftare. Faktum är att forskarna fann att kommunala avloppsanläggningar kunde spendera 43 % mer på antifouling-membran för avloppsrening och upp till tre gånger mer på antifouling-membran för avsaltning, och fortfarande behålla sina baslinjedriftskostnader.

Eftersom åldrande infrastruktur och klimatförändringar stressar vattenförsörjningen, undersöker många kommuner och forskare processer, inklusive avsaltning och avloppsvattenrening, som kan öka tillgången på vatten från mindre konventionella vattenresurser, som bräckt vatten. Att investera i bottenskiktsmembran i förväg kan hjälpa till att minska kostnaderna för dessa typiskt dyra behandlingssystem.

"Med ökande vattenbrist blir tekniker som avsaltning viktigare än någonsin", säger Northwesterns Jennifer Dunn, som ledde arbetet. "Men det finns alltid kompromisser mellan teknisk prestanda och kostnad. Ett filtreringssystem kan ha fantastiska prestanda, men om kostnaden är för hög kommer folk inte att anamma tekniken. Vi hoppas att vår modellering och analys kan hjälpa till att vägleda forskning och utveckling."

Studien publicerades den 15 augusti i tidskriften ACS ES&T Engineering . Det markerar den första internationellt medförfattade publicerade studien från U.S.-Israel Collaborative Water-Energy Research Center (CoWERC), ett globalt konsortium av forskningsinstitutioner, vattenverk och privata företag som utforskar nya lösningar på kritiska utmaningar i sambandet mellan energi och vatten .

Dunn är docent i kemisk och biologisk teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering och chef för Center for Engineering Sustainability and Resilience. Sabyasachi Das och Margaret O'Connell, båda medlemmar av Dunns laboratorium, är tidningens första författare.

I membranfiltreringssystem fungerar ett membran som en fysisk barriär mellan drickbart vatten och föroreningar. Pumpar driver vatten genom membranet, som är fyllt med mikro-, nano- eller till och med mindre porer. Membranet fångar upp fina partiklar samtidigt som det låter vattnet rinna genom porerna.

Nedsmutsning uppstår när föroreningar ansamlas på membranets yta, vilket täpper till porerna. När ett membran drabbas av nedsmutsning krävs högre tryck för att pumpa vattnet igenom. Så småningom blir dock nedsmutsningen så omfattande att membranet måste rensas eller till och med bytas ut helt. Energin och kostnaderna förknippade med ökat vattentryck, rengöring och utbyte kan öka en behandlingsanläggnings driftskostnader.

Däremot har antifouling-membran specialiserad ytkemi som förhindrar att föroreningar ansamlas. Detta leder till minskad rengöringsfrekvens och en övergripande förlängd livslängd för membranet. I studien fann forskarna att en ökning av membranets livslängd var den mest inflytelserika faktorn för att minska driftskostnaderna.

"Hela processen med avsaltning kretsar kring detta membran," sa Dunn. "Allt vi kan göra för att förbättra membranets livslängd eller minska rengöringskostnaderna kommer att bidra till att minska kostnaderna för rent vatten."

Dunn hoppas att denna studie kommer att hjälpa beslutsfattare, beslutsfattare och operatörer av vattenreningsverk att inse att vattenreningsanläggningar kan tolerera kostnaden för att använda dyrare membran med högre prestanda. Detta gäller särskilt för avsaltningsanläggningar, av vilka 65 % redan använder membranbaserade filtreringssystem.

"Det finns en återbetalning i form av minskad energiförbrukning och minskad frekvens av att köpa nya membran," sa Dunn. "Om vi ​​vill bygga fler avsaltningsanläggningar för att minska vattenbristen vill vi göra det på ett sätt som inte ökar energiförbrukningen. Allt hänger ihop." + Utforska vidare

Förkoagulering av polytitanklorid för nedsmutsningskontroll av keramiskt membran