ความก้าวหน้าของ Purdue สามารถเปลี่ยนอุตสาหกรรมการแยกเกลือออกจากทะเลได้

น้ำค้ำจุนทุกชีวิตและทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดของอารยธรรม แต่เมื่อประชากรโลกเติบโตขึ้น การพัฒนาอุตสาหกรรมก็เร่งตัวขึ้น และการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศก็ทวีความรุนแรงมากขึ้น การขาดแคลนน้ำได้กลายเป็นหนึ่งในความท้าทายที่เร่งด่วนที่สุดของมนุษยชาติในศตวรรษที่ 21 ตั้งแต่แอฟริกาที่แห้งแล้งไปจนถึงภูมิภาคตะวันออกกลางที่เน้นเรื่องน้ำ และประเทศพัฒนาแล้วที่มีความเสี่ยงมากขึ้น การขาดแคลนน้ำจืดคุกคามเสถียรภาพและการพัฒนาของโลก

เทคโนโลยีรีเวิร์สออสโมซิส (RO) ซึ่งรับผิดชอบการผลิตน้ำจืดมากกว่าครึ่งหนึ่งในพื้นที่แห้งแล้ง เช่น ตะวันออกกลาง บังคับน้ำทะเลผ่านเยื่อกึ่งกึ่งซึมผ่านได้ภายใต้ความกดดันที่รุนแรง—สูงถึง 70 เท่าของความดันบรรยากาศ—เพื่อแยกน้ำบริสุทธิ์ แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพ แต่การรักษาแรงกดดันเหล่านี้ต้องใช้พลังงานจำนวนมากผ่านปั๊มและอุปกรณ์ ซึ่งมีส่วนสำคัญต่อต้นทุนการดำเนินงานและการปล่อยก๊าซคาร์บอน

"พลังงานคิดเป็นประมาณหนึ่งในสามของต้นทุนวงจรชีวิตของโรงงานแยกเกลือออกจากน้ำทะเล" David Warsinger ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลของ Purdue University อธิบาย "แม้แต่การปรับปรุงประสิทธิภาพเล็กน้อยเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ก็สามารถประหยัดเงินได้หลายร้อยล้านดอลลาร์ในขณะที่ลดการปล่อย CO₂"

ในฐานะผู้นำระดับโลกด้านการวิจัย STEM มหาวิทยาลัย Purdue ได้รวบรวมทีมงานที่มีความสามารถพิเศษเพื่อรับมือกับความท้าทายในการขาดแคลนน้ำ ห้องทดลองของศาสตราจารย์วอร์ซิงเกอร์เป็นผู้บุกเบิกความก้าวหน้า RO ที่ปฏิวัติวงการ โดยพัฒนาแนวคิดที่ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้อย่างมาก

ในระหว่างการศึกษาระดับปริญญาเอกที่ MIT วอร์ซิงเกอร์ได้คิดค้น "ระบบรีเวอร์สออสโมซิสแบบกลุ่ม" โดยแปรรูปน้ำเป็นชุดแยกกัน แทนที่จะไหลอย่างต่อเนื่อง "แต่ละชุดจะใช้เวลาหนึ่งถึงสองนาที" Warsinger อธิบาย "เราค่อยๆ เพิ่มความดันในขณะที่ลดปริมาตรลง ซึ่งท้ายที่สุดก็ผลิตน้ำจืดที่เทียบเท่ากันแต่ใช้พลังงานน้อยลง"

ระบบแบทช์แบบดั้งเดิมสูญเสียประสิทธิภาพในระหว่างการปั่นจักรยานเป็นระยะ ความก้าวหน้านี้มาจากการออกแบบห้องลูกสูบที่ช่วยลดการหยุดทำงาน "แทนที่จะทำให้ลูกสูบหมดเกลี้ยง เราใช้น้ำทะเลที่เข้ามาเพื่อขับเคลื่อนรอบถัดไป" Warsinger อธิบาย "แนวทางการดำเนินการแบบคู่นี้ทำให้การทำงานเกือบจะต่อเนื่อง"

งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในการแยกเกลือออกจากน้ำแสดงให้เห็นว่าระบบนี้บรรลุประสิทธิภาพการใช้พลังงานอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน ซึ่งอาจกำหนดมาตรฐานอุตสาหกรรมใหม่ได้

นักวิจัยระดับบัณฑิตศึกษา แซนดรา คอร์โดบา ผู้เขียนหลักของการศึกษาวิจัยนี้ ได้พัฒนาแบบจำลองไฮดรอลิกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน "RO เกี่ยวข้องกับตัวแปรที่ซับซ้อน เช่น ความดัน ปริมาตร ความเค็ม อัตราการฟื้นตัว เวลาและพลังงาน" คอร์โดบาตั้งข้อสังเกต "แบบจำลองของเราระบุโปรไฟล์แรงดันที่เหมาะสมที่สุดเพื่อการใช้พลังงานน้อยที่สุด"

ขนาดของห้องลูกสูบปรับให้เหมาะกับความต้องการใช้งาน ตั้งแต่เครื่องใช้ในครัวเรือนแบบพกพาไปจนถึงการติดตั้งในระดับอุตสาหกรรม "โดยพื้นฐานแล้วมันเป็นเพียงท่อที่มีลูกสูบกันน้ำ" Warsinger กล่าว "แต่ความเรียบง่ายนี้ทำให้เกิดประสิทธิภาพในการเปลี่ยนแปลง"

ผู้สมัครระดับปริญญาเอก Abhimanyu Das ได้พัฒนารูปแบบที่เรียกว่า Batch Counterflow Reverse Osmosis ซึ่งจะหมุนเวียนความเข้มข้นของน้ำจำเพาะไปทั่วพื้นผิวเมมเบรน นวัตกรรมนี้พิสูจน์ประสิทธิภาพโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานที่มีความเค็มสูง เช่น การบำบัดน้ำเสียทางอุตสาหกรรม

การวิจัยโดยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Michael Roggenburg แสดงให้เห็นว่า RO แบบแบทช์ควบคู่กับพลังงานหมุนเวียนสามารถให้น้ำจืดตามแนวชายแดนสหรัฐ-เม็กซิโกระยะทาง 1,954 ไมล์ได้อย่างไร ระบบพลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานลมนำเสนอโซลูชันที่ปราศจากเชื้อเพลิงฟอสซิลสำหรับภูมิภาคที่มีปัญหาเรื่องน้ำ

"ความมั่นคงทางน้ำถือเป็นความท้าทายระดับโลก" Warsinger สะท้อนให้เห็น "หากเราสามารถลดต้นทุนได้เล็กน้อย การแยกเกลือออกจากน้ำทะเลจะกลายเป็นสิ่งที่มีประโยชน์สำหรับชุมชนต่างๆ มากขึ้น ซึ่งอาจสร้างผลกระทบในการเปลี่ยนแปลงได้"

สำนักงานการค้าเทคโนโลยีของ Purdue Research Foundation ได้ยื่นจดสิทธิบัตรสำหรับนวัตกรรมเหล่านี้ ซึ่งอำนวยความสะดวกในการใช้งานจริงเพื่อแก้ไขปัญหาการขาดแคลนน้ำ

ด้วยการสนับสนุนจากทุนสนับสนุนจาก Fulbright Commission, National Renewable Energy Laboratory และ Purdue University ทีมงานของ Warsinger ยังคงพัฒนาโซลูชั่นที่ก้าวหน้าซึ่งวันหนึ่งอาจเปลี่ยนมหาสมุทรของเราให้กลายเป็นแหล่งน้ำจืดที่เชื่อถือได้ งานของพวกเขาเป็นตัวอย่างว่านวัตกรรมทางเทคโนโลยีเมื่อประกอบกับแนวทางปฏิบัติที่ยั่งยืน สามารถจัดการกับความท้าทายด้านทรัพยากรที่เร่งด่วนที่สุดของมนุษยชาติได้อย่างไร