آشنایی با اسمز عقب مانده فشاری Pressure Retarded Osmosis

اسمز عقب مانده فشار روشی است برای جدا کردن یک حلال از یک محلول که غلظت بیشتری دارد و همچنین تحت فشار است. در این روش، یک غشا نیمه نفوذ پذیر به حلال اجازه می دهد تا توسط اسمز به محلول غلیظ منتقل شود. لوب و نورمن اصطلاح “اسمز عقب مانده با فشار (PRO)” را برای استفاده در نمک گذاری آب با فرآیند غشای اسموتیکی پیشنهاد کردند (Loeb and Norman، 1975). زیرا این فرآیند از طریق اسموتیک هدایت می شود و انرژی اختلاط بین جریان های شوری بالا و کم را برای تولید انرژی مکانیکی مهار می کند. در PRO ، آب از طریق یک غشا نیمه نفوذ پذیر از یک جریان تغذیه ای با غلظت کم به یک آب نمک با غلظت بالا نفوذ می کند. اگرچه محلول تحت فشار قرار دارد، اما فشار هیدرولیکی آن کمتر از فشار اسمزی آن است. بنابراین، هنوز یک نیروی محرکه اسمزیک خالص برای انتقال آب (جریان پرمیت) از خوراک به محلول وجود دارد. جریان نفوذ تحت فشار قرار می گیرد و محلول را رقیق می کند. انرژی موجود در محلول پرمیت تحت فشار را می توان از طریق مجموعه مولد توربین به انرژی مکانیکی / الکتریکی تبدیل کرد.
جریان باقیمانده محلول تحت فشار و رقیق شده از طریق مبدل فشار (PX) ارسال می شود، جایی که انرژی فشار مانده آن با فشار دادن محلول کشش ورودی به طور کارآمد بازیابی می شود. در حقیقت، PRO را می توان فرآیند معکوس اسمز (RO) دانست. RO از فشار هیدرولیکی برای مقابله با فشار اسمزی محلول خوراک آبی (مثلاً آب دریا) برای تولید آب تصفیه شده استفاده می کند (سوریراجان ، 1970)، در حالی که PRO از فشار اسمزی آب دریا برای مخلوط کردن آب شیرین و آب شور استفاده می کند و به طور طبیعی انرژی فشاری تولید می کند سپس به انرژی مکانیکی / الکتریکی تبدیل می شود. به دلیل شباهت های آن با RO ، تلاش های اولیه برای توسعه PRO وابسته به غشاها و ماژول های غشایی بود که در اصل برای RO طراحی شده بودند. این امر جمع آوری نتایج آزمایشی اولیه را بدون نیاز به دستگاههای خاص طراحی شده امکان پذیر ساخت، اما منجر به خروجی نیرو بسیار کمتر از خروجی های مورد انتظار شد (Loeb et al.، 1976؛ Loeb and Mehta، 1979؛ Mehta and Loeb، 1978، 1979).

PRO اسمز عقب مانده فشاری Pressure Retarded Osmosis

با این حال ، این استفاده از PX بود که در اصل برای برنامه های RO تهیه شده بود و باعث بهبود چشمگیر طراحی PRO شد (Loeb، 2002). در ابتدا، PRO به شکل مستقل برای تولید انرژی از مخلوط کردن جریان های کم غلظت (به عنوان مثال، آب رودخانه یا فاضلاب) با آب دریا مورد بررسی قرار گرفت. اخیراً، کاربرد آن برای افزایش تبدیل انرژی (Kim and Elimelech، 2013؛ Achilli et al.، 2009؛ Chou et al.، 2012) و اتصال با RO برای شیرین سازی آب دریا با انرژی کم (Achilli et al.، 2014؛ Altaee et al.، 2014) مورد بررسی قرار گرفته است. تحقیقات در زمینه PRO در 10 سال گذشته به دلیل علاقه مجدد گروه های تحقیقاتی آمریکایی و اروپایی به سرعت افزایش یافت، اندکی پس از مطابقت با تحقیقات آسیایی – اقیانوسیه و پیشی گرفتن از آنها. امروزه، چند کارخانه نمونه که در شرایط واقعی کار می کنند وجود دارند و در حال ساخت هستند، که نشان دهنده رشد سریع فن آوری و سطح آمادگی بالای فن آوری (TRL) است که در 10 سال گذشته توسط PRO به دست آمده است.
اگرچه فناوری PRO به عنوان یک فناوری نوظهور در نظر گرفته شده است، اما فرآیندهای PRO در هنگام استفاده از آب دریا و آب رودخانه هنوز موفقیت تجاری کسب نکرده اند. تحولات در غشاهای PRO با شار بالا و کم هزینه (و ماژول ها)، توربین های با بازده بالا و پیش تصفیه مقرون به صرفه برای جلوگیری از رسوب زدگی غشا هنوز مورد نیاز است و همچنان به عنوان یک چالش مهم مطرح است.

کاهش بیشتر انرژی توسط فناوری PRO

در تحقیقات به عمل آمده، مشخص شد که PRO تحقق بهترین بازیابی انرژی در جهان را امکان پذیر کرده و انرژی مورد نیاز برای نمک زدایی آب دریا را به حداکثر 30٪ به عنوان SEC کاهش داده است. اسمز عقب مانده فشار (PRO) فرآیندی است که می تواند با استفاده از انرژی حاصل از اختلاط آزاد گیبس، فشار اسمزی محلول نمکی را به فشار هیدرولیکی تبدیل کند. حتی اگر اصول ترمودینامیکی فرآیند PRO کاملاً ثابت شده باشد، هنوز پارامترهای خاصی وجود دارد که برای اجرای عملی فرآیند از نظر اقتصادی لازم است بهینه گردد. عملکرد غشایی یکی از مهمترین پارامترهای فرآیندهای PRO است و تقریباً همیشه عامل تعیین کننده ای برای پیاده سازی و کاربردهای مقیاس بالا است.

PRO اسمز عقب مانده فشاری Pressure Retarded Osmosis

عملکرد یک غشا PRO به طور کلی با تراکم توان آن غشا تحت شار خاص و شرایط فشار اعمال شده اندازه گیری می شود. اوج عملکرد غشای PRO معمولاً “نقطه رفتن و ممنوعیت” برای ارزیابی فرآیند اقتصادی است. اکثر تحقیقات گذشته و فعلی در مورد فرآیندهای PRO در توسعه غشا بر ساختار غشایی فیلم کامپوزیتی نازک (TFC) متمرکز شده است. ادغام و توسعه نانومواد، تحقیقات غشای PRO را به سمت تحقیق در مورد غشاهای نانوکامپوزیت فیلم نازک (TFN) با بازده بالا سوق می دهد.

اسمز عقب مانده فشار (PRO) پتانسیل زیادی برای تبدیل شدن به یک فرایند عملی برای تبدیل فشار اسمزی محلول نمکی به فشار هیدرولیکی دارد. اکثر کاربردهای پیشنهادی فرآیندهای PRO بر اساس استفاده از فشار اسمزی محلول آب نمک از فرآیند اسمز معکوس آب دریا (SWRO) است. آب SWRO غلظت نمک نسبتاً بالایی دارد و بنابراین فشار اسمزی بیشتری نسبت به خود آب دریا دارد. فرآیند PRO از انرژی آزاد گیبس در مخلوط کردن محلول نمکی (در سمت کشش غشا نیمه تراوا) و محلول کشیده شده از محلول خوراک (در سمت خوراک غشا نیمه تراوا) استفاده می کند. اختلاف شوری این دو محلول در هنگام مخلوط کردن باعث تولید انرژی آزاد گیبس در اختلاط می شود که با فرآیند PRO به فشار هیدرولیکی تبدیل می شود. تفاوت اصلی بین اسمز رو به جلو (FO) و PRO این است که محلول کشش در فرآیند FO تحت فشار نیست در حالی که محلول کشش در فرآیند PRO تحت فشار هیدرولیکی است. فشار اسمزی در FO به میزان جریان اضافی تبدیل می شود. با این حال، در PRO، فشار اسمزی تبدیل شده، به عنوان فشار هیدرولیکی، مصرف می شود تا فشار هیدرولیکی محلول کشش را در حالی که سرعت جریان افزایش می یابد، نسبتاً ثابت نگه دارد. بنابراین، محلول نهایی که یک محلول رقیق است، دارای فشار هیدرولیکی مشابه محلول کشش است اما سرعت جریان بالاتری دارد.

PRO اسمز عقب مانده فشاری Pressure Retarded Osmosis

چالش های موجود در بهره برداری از سیستمهای PRO

اخیراً، روند اسمز عقب مانده فشار (PRO) به عنوان یک فناوری جایگزین که می تواند با رژیم فعلی تغییر اقلیم مقابله کند، مورد توجه قرار گرفته است. اگرچه روند PRO همراه با رشد فن آوری های غشایی به طور قابل توجهی توسعه یافته است، اما هنوز هم چندین مانع در مسیر پیشرفت وجود دارد. تولید نسبتاً کم فرآیند PRO در مقیاس ماژول یکی از مشکلاتی است که مانع تجاری سازی و مقیاس بندی آن می شود. اگرچه فرآیند PRO در فرآیند مقیاس آزمایشگاهی به سطح چگالی توان 24 وات بر مترمربع دست یافته است، چنین مقداری از چگالی توان هنوز در فرآیند PRO در مقیاس ماژول تأیید نشده است. گزارش شده است که چگالی توان به 10 وات بر متر مربع کاهش می یابد هنگامی که مقیاس فرآیند افزایش می یابد، این مقدار به 15 وات بر متر مربع می رسد. علاوه بر این، این یک مشکل دیگر این است که هنوز هیچ غشایی با هدف PRO تولید نشده است. بیشتر تحقیقات در مورد PRO صرفاً با استفاده از مخالفت جهت گیری غشا از حالت AL-FS (لایه متراکم فعال رو به محلول خوراک) به حالت AL-DS (لایه متراکم فعال رو به روی محلول کشش) از غشا اسمز رو به جلو استفاده کرده است. حالت AL-DS برای افزایش شار آب فرآیند بهتر است، اما نسبت به حالت AL-FS بیشتر در معرض فولانت ها است تا عملکرد مد AL-DS سریعتر از حالت AL-FS کاهش یابد.
بر این اساس، یک فرآیند ترکیبی PRO به عنوان اقدامی برای حل مشکلات در حال افزایش است. فرآیند ترکیبی اسمز معکوسPRO مشهورترین شکل فرآیند های ترکیبی است. فرآیند ترکیبی دارای مزایای مختلفی است که به یک مرحله قبل برای فرآیند PRO نیاز ندارد و می تواند در مورد PRO مستقل بهتر عمل کند.
اسمز عقب مانده فشار (PRO) و الکترودياليز معکوس (RED) اخيراً به دليل پتانسيل آنها در توليد انرژي گراديان شوري مورد بررسي قرار گرفته است. غشاهای مبتنی بر پلیمر از اجزای اصلی این سیستم ها هستند و بنابراین، خواص این غشاها تا حد زیادی عملکرد و کاربرد هر دو PRO و RED را تعیین می کند. با توجه به اصول عملیاتی مختلف، برای غشاهای PRO، طراحی لایه پشتیبانی و لایه های فعال بسیار مهم از اهمیت بیشتری برخوردار هستند، در حالی که برای غشاهای RED ، قدرت انتخاب یون و هدایت یونی بیشتر نگران کننده هستند.
در چهار دهه گذشته، توسعه غشا بر اساس تقاضا در فرآیندهای تحت فشار رخ داده است. با این حال، در دهه گذشته، علاقه به فرآیندهای اسموتیکی، مانند اسمز رو به جلو (FO) و اسمز عقب مانده فشار (PRO)، افزایش یافته است. تهیه غشاهای سفارشی برای توسعه این فناوری ها ضروری است. اخیراً چندین روش آماده سازی غشایی بسیار امیدوار کننده برای کاربردهای FO / PRO پدید آمده است. تهیه غشاهای فیلم نازک کامپوزیت (TFC) با پشتیبانی از پلی سولفون (PSf) سفارشی، پشتیبانی از الکتروسپان، غشاهای TFC بر روی پشتیبانی آب دوست و غشاهای فیبر توخالی برای کاربردهای FO / PRO گزارش شده است. این روش های جدید اجازه استفاده از مواد دیگر به غیر از غشای استات سلولز نامتقارن (CA) و غشاهای TFC پلی آمید / پلی سولفون را می دهد.

PRO اسمز عقب مانده فشاری Pressure Retarded Osmosis

اسمزمعکوس عقب مانده با فشار، مقایسه با سایر تکنیک های نوین و کاهش مصرف انرژی در جهان
مصرف انرژی جهانی به شدت وابسته به سوخت های فسیلی است که باعث تغییرات شدید آب و هوایی می شود و بنابراین، کاوش در فن آوری های جدید برای تولید انرژی های تجدید پذیر موثر در جهان نقش مهمی دارد. اسمز عقب مانده فشار (PRO) یکی از نامزدهای امیدوار کننده برای کاهش اعتماد به سوخت های فسیلی با مهار انرژی از شیب شوری بین آب دریا و آب شیرین است.
اسمز عقب مانده فشار (PRO) یک فرآیند غشایی جدید برای تولید انرژی است. PRO توانایی تبدیل اختلاف فشار اسمزی بین آب شیرین (به عنوان مثال آب رودخانه) و آب دریا به برق را دارد. علاوه بر این، می تواند انرژی را از آب نمک بسیار غلیظ در نمک زدایی آب دریا بازیابی کند.تولید انرژی نظری توسط PRO به نوع غشا و همچنین شرایط عملیاتی (یعنی فشار برگشتی) بستگی دارد. غشای FO بیشترین بازده انرژی را دارد در حالی که غشای NF کمترین بازده را دارد. با این حال، به دلیل قطبی شدن غلظت داخلی بالا (ICP) در غشای PRO ، میزان تولید انرژی کم گزراش شده است. این یافته نشان می دهد که کنترل ICP برای کاربرد عملی PRO برای تولید انرژی ضروری است.
در PRO ، آب از طریق یک غشا نیمه تراوا از یک محلول خوراک رقیق به یک محلول کشش غلیظ منتقل می شود. با افزایش جریان حجمی آب، توربین آبی برای تولید نیرو اجرا می شود. فناوری PRO طی سالهای اخیر به سرعت بهبود یافته است. با این حال، کارخانه PRO در مقیاس تجاری هنوز توسعه داده نشده است. در این زمینه، پیشرفت های اخیر در روند PRO از نظر مدل های ریاضی، ماژول های غشایی، طرح های فرآیندی، کارهای عددی و رسوب گذاری و تمیز کردن بررسی می شود. علاوه بر این، الزامات تحقیق برای سرعت بخشیدن به تجاری سازی PRO مورد بحث قرار گرفته است. انتظار می رود که این مقاله بتواند به درک جامع روند PRO کمک کند و در نتیجه اطلاعات اساسی را برای فعال سازی تحقیقات و توسعه بیشتر فراهم کند.