Электростанции потребляют больше пресной воды, чем любой другой потребитель в Соединенных Штатах, на них приходится более 50 процентов потребления пресной воды в стране, что составляет около 500 миллиардов галлонов в день.
Чтобы помочь сохранить эту воду, исследователи из Sandia National Laboratories разработали новый силикатный фильтр для охлаждающей воды электростанций, который уменьшает количество пресной воды, потребляемой электростанциями, за счет увеличения количества раз, когда вода градирни может быть повторно использована и переработана..
«У нас в стране ограниченное количество воды, которую можно использовать для всего: от питьевой воды до разведения скота, а население планеты и спрос на нее растут», - сказал геохимик Sandia Пэт Брэди.«Если вы сможете повторно использовать воду, используемую на электростанциях, высвободится намного больше воды для бытовых и личных нужд».
Хотя электростанции уже перерабатывают пресную воду, количество раз, которое можно использовать повторно, ограничено количеством кремнезема, который накапливается с каждым циклом. Кремнезем является обычным природным веществом в пресной воде с ограниченной растворимостью и склонен к образованию накипи на турбинах, котлах, теплообменниках, трубопроводах и другом оборудовании. Это накопление проблематично, потому что оно может нарушить работу оборудования, и его предотвращение требует больших затрат. Стоимость очистки и повторного использования воды, используемой на электростанциях, оценивается в 1,5-2 раза выше стоимости пресной воды, часто из-за высокой стоимости существующих методов удаления кремнезема.
«Когда у вас есть отложения кремнезема, возникают проблемы с теплопередачей, с засорением и коррозией», - говорит химик Sandia Тина Ненофф. «Итак, наш проект был сосредоточен на поиске энергоэффективного и экономичного материала и процесса для удаления кремнезема из технической воды."
Исследователи Sandia National Laboratories, слева направо, Тина Ненофф и Пэт Брэди, а также бывший постдокторант Коруш Сасан изучали, как гидроталькит может отфильтровывать кремнезем из воды градирни на электростанциях.
Удаление силикагеля специальным фильтром
Ненофф работала с гидроталькитом, слоистым материалом из гидроксида алюминия, с начала 2000-х годов, когда она изучала методы недорогого опреснения воды, и подумала, что этот материал может быть эффективным фильтром для кремнезема.
В рамках двухлетнего научно-исследовательского проекта под руководством лаборатории Ненофф, Брейди и их исследовательская группа создали специальные фильтры, гранулы и порошки из гидротальцита для изучения способности материала фильтровать кремнезем. Как задокументировано в недавней статье в Journal of Waste Process Engineering, они обнаружили, что гидроталькит может удалить около 90 процентов накопленного кремнезема в оборотной воде и может быть повторно использован в течение пяти или более циклов. Эта возможность повторного использования фильтра и рециркуляции воды из градирни может сэкономить как деньги, так и природные ресурсы.
«Представьте себе гранулы гидротальцита или порошок, подобный тому, что содержится в фильтре для питьевой воды», - сказал Ненофф. «Во время процесса фильтрации вода проходит через материал или поверх него, а кремнезем из воды кристаллизуется и остается в фильтре, в то время как более чистая вода вытекает наружу».
Исследовательская группа разработала материал гидроталькита, который будет использоваться для фильтрации воды градирни на электростанциях. В процессе охлаждения часть воды испаряется, а содержащиеся в воде минералы, включая кремнезем, накапливаются с каждым циклом.
«Когда вы нагреваете воду и часть ее испаряется, кремнезем и другие материалы в воде становятся более концентрированными», - сказал Брейди. «Прямо сейчас вы можете использовать воду в течение нескольких циклов, прежде чем она станет слишком концентрированной, но мы стремимся к 10 или более циклам, чтобы электростанции могли сократить потребление воды."
От лаборатории к реальному приложению
В дополнение к изучению материала и его эффективности, команда хотела определить, как лучше всего масштабировать новый фильтрующий материал, чтобы он был жизнеспособным для крупномасштабных операций на электростанциях. Студенты факультета гражданского строительства Университета Нью-Мексико, работающие под руководством профессора Керри Хоу, выполнили масштабный анализ материала, а исследователи из Ливермора, Калифорния, Сандия, провели технико-экономический анализ для оценки затрат и энергии. экономия для реальных приложений.
Здесь мы проводим измерения в стаканах размером с кофейную чашку, но когда вы находитесь на таком объекте, как электростанция, которая потребляет миллион галлонов в день, вы хотите знать, будет ли гидроталькит эффективным. на этом уровне», - сказал Брейди.
Исследовательская группа использовала междисциплинарный подход и анализ, чтобы направить свои эксперименты, чтобы найти наилучшую обработку гидроталкита для экономичного и энергоэффективного промышленного использования.
«Во многих отраслях промышленности уже есть работающий процесс удаления диоксида кремния, но он может работать не очень хорошо», - сказал Ненофф. «В результате этого проекта мы сможем дать им ориентировочную стоимость и экономию энергии, и даже прогнозируемую экономию на протяжении всего срока службы, которую мог бы обеспечить гидроталкит по сравнению с их текущим методом. Такое моделирование и анализ дают больше стимулов для принятия решений. риск внедрения нового метода."