Pressure Retarded Osmosis (PRO) Education/pl

Aby zwiększyć świadomość na temat osmozy opóźnionej ciśnieniem (PRO) jako potencjalnego źródła energii odnawialnej, grupa studentek z sekcji Society of Women Engineers na Cal Poly Humboldt opracowała interaktywne urządzenie demonstrujące wytwarzanie energii i osmozę przez membranę półprzepuszczalną. Urządzenie w skali laboratoryjnej zostało wykonane za pomocą drukarki 3D, która konstruuje trójwymiarowe obiekty z modeli cyfrowych. Ta metoda konstrukcji pozwala na replikację urządzenia, wymagając jedynie cyfrowych planów, drukarki 3D i tworzywa termoplastycznego używanego przez drukarkę.

Celem projektu jest zbudowanie społeczności inżynierów, naukowców i edukatorów, którzy będą korzystać z urządzenia PRO i wniosą swój wkład w rozwój społeczności, przekazując opinie i dzieląc się swoimi odkryciami. SWE pomoże w budowaniu tej społeczności, udostępniając urządzenie i promując system wśród wyżej wymienionych grup zainteresowań.

Osmoza opóźniona ciśnieniem (PRO) to rozwijająca się technologia, w której energia jest wytwarzana poprzez interakcję wody słonej i słodkiej poprzez przenikanie przez membranę. Podczas PRO roztwór o niskim zasoleniu (zasilający) jest zasysany przez membranę do roztworu pod ciśnieniem o wysokim zasoleniu (pobieranego) (rysunek 1). Energia może być następnie wytwarzana poprzez uwolnienie ciśnienia za pomocą turbiny.

Strumień wody (Jw) zależy od współczynnika przepuszczalności wody (A) membrany, różnicy ciśnień osmotycznych (π) i różnicy ciśnień hydraulicznych (P). Moc generowana na jednostkę powierzchni membrany (W), czyli gęstość mocy, zależy od strumienia i różnicy ciśnień hydraulicznych po obu stronach membrany.

π, czyli różnica ciśnień osmotycznych, jest równa wartości różnicy ciśnień hydraulicznych (P), która uniemożliwiłaby transport wody przez błonę. Oprogramowanie OLI Stream Analyzer 2.0 (OLI Systems, Inc., Morris Plains, NJ) podaje następującą zależność między ciśnieniem osmotycznym (w kPa) a stężeniem molowym chlorku sodu:

Polaryzacja stężeniowa (CP) to zjawisko opisujące akumulację lub wyczerpywanie się substancji rozpuszczonych w pobliżu granicy faz membrany [1]. W konfiguracji PRO występują dwa rodzaje polaryzacji stężeniowej: rozcieńczająca zewnętrzna CP i stężona wewnętrzna CP. W niniejszym badaniu przewidywane wartości strumienia i gęstości mocy zostaną porównane z wartościami eksperymentalnymi. Ze względu na CP, wzrost różnicy ciśnień osmotycznych nie powinien powodować proporcjonalnego wzrostu strumienia i gęstości mocy.

Urządzenie PRO składa się z dwóch komór o wymiarach 7"x7"x2", umieszczonych obok siebie i oddzielonych półprzepuszczalną membraną. Obie komory posiadają w swoich sufitach dwa żeńskie gwinty sześciokątne NPT ¼". Komory są połączone ze sobą za pomocą 12 zespołów śrub/nakrętek sześciokątnych/podkładek, z dwiema uszczelkami nitrylowymi o grubości 1/16" i dwoma ekranami podtrzymującymi membranę pomiędzy nimi (rysunek 3). Jedna komora jest bezciśnieniowa i zawiera roztwór zasilający; druga jest pod ciśnieniem i zawiera roztwór pobierany. Komora ciśnieniowa ma 12-calową, przezroczystą rurę PCV wkręconą w sufit, nad którą znajduje się zbiornik o pojemności 80 ml. Woda z roztworu zasilającego wpływa do roztworu pobieranego, powodując jego podniesienie się w rurze i gromadzenie w zbiorniku. Zbiornik posiada plastikowy zawór ¼" NPT wkręcony w jeden koniec dna, który uwalnia płyn do koła wodnego znajdującego się poniżej. Płyn z koła jest zbierany w lejku, który spływa z powrotem do roztworu pobieranego.

Do stworzenia planów 3D komór głównych, zbiornika, koła wodnego, leja i sit siatkowych wykorzystano program SolidWorks 2012. Obiekty wydrukowano na drukarce 3D uPrint SE Plus (Stratasys, Minneapolis, MN), dostępnej w Cal Poly Humboldt, z wykorzystaniem termoplastycznego tworzywa ABS (rysunek 4).

Wszystkie wydrukowane w 3D obiekty pokryto dwiema warstwami żywicy z włókna szklanego, aby ograniczyć przeciekanie urządzenia. Zastosowano gwinty ¼" NPT (męski i żeński), aby lepiej wyznaczyć gwint odpowiednio na komorach i zbiorniku oraz na lejku. Dla każdej uszczelki zewnętrzne obwody komory głównej i siatki sitowej zostały narysowane na nitrylu o grubości 1/16" i wycięte nożem do cięcia. Dwanaście otworów na zespoły zaciskowe wykonano za pomocą młotka i stalowego przebijaka.

• Zdjęcia aparatu PRO
• 
  Komnata drukowana za pomocą 3D uPrint Plus Zdjęcie: Leabeth Peterson
• 
  Chambers składa się ze zdjęcia. Zdjęcie: Leabeth Peterson
• 
  Budowa aparatury bez koła wodnego. Zdjęcie: Leabeth Peterson

Membrany: Do eksperymentów wykorzystano płaską membranę do osmozy w przód z trioctanu celulozy (CTA) firmy Hydration Technology Innovations z Albany w stanie Oregon. Stwierdzono, że ta konkretna membrana jest najlepszą dostępną membraną w zastosowaniach FO [2].

Skład chemiczny roztworów: Do przygotowania różnych roztworów zasilających i pobieranych użyto certyfikowanego NaCl od EM Science Industries i JT Baker Industries. Stężenia roztworów pobieranych zmieniano w celu zapewnienia zakresu wartości strumienia i gęstości mocy. Zastosowane stężenia roztworów pobieranych wynosiły 35, 70, 150 i 300 g/l, a do wszystkich roztworów zasilających użyto wody dejonizowanej. Do obliczenia różnicy ciśnień osmotycznych dla każdego układu wykorzystano analizator OLI Stream Analyzer 2.0 (równanie 4) (Tabela 4).

Tabela 1. Kryteria i ograniczenia określone dla projektu urządzenia PRO.

Do eksperymentów komorę zasilającą napełniono wodą dejonizowaną, a komorę czerpalną roztworem NaCl. Zmierzono czas, w jakim wznoszący się słup wody dociera do zbiornika. Zmierzono również objętość wody zebranej w zbiorniku w ciągu 10 minut.

• Zdjęcia aparatu PRO
• 
  Korzystanie z aparatu
• 
  Dokręcanie śrub w aparacie

Sekcja HSU SWE ma nadzieję, że wśród możliwości dotarcia do szerszego grona odbiorców znajdą się demonstracje dotyczące:

• Klasy K-12
• Programy dla studentów stowarzyszonych
• Lokalne harcerki w Dniu Harcerki
• Wydarzenia towarzyskie HSU Engineering

Osoby zainteresowane uzyskaniem planów cyfrowych na potrzeby edukacji i badań mogą przesłać propozycję swoich zamiarów na naszą stronę internetową proeducationhsu.org

[1] Achilli, A., Cath, TY i Childress, AE (2009). „Generowanie energii elektrycznej z wykorzystaniem osmozy opóźnionej ciśnieniem: badanie eksperymentalne i teoretyczne”. Journal of Membrane Science, 343, 42-52.

[2] Achilli, A. i Childress, AE (2010). „Osmoza opóźniona ciśnieniem: od wizji Sidneya Loeba do pierwszej instalacji prototypowej”. Desalination, 261, 205-211.

[3] Anastasio, D. i McCutcheon, JR (2013). „Wykorzystanie osmozy do nauczania podstaw transferu masy studentów inżynierii chemicznej na studiach licencjackich”. Desalination, 312, 10-18.

[4] Cath, TY, Childress, AE i Elimelech, M. (2006). „Osmoza postępowa: zasady, zastosowania i najnowsze osiągnięcia”. Journal of Membrane Science, 281, 70-87.

[5] McCutcheon, ME i Elimelech, M. (2006). „Wpływ polaryzacji stężenia wewnętrznego stężeniowego o działaniu rozcieńczającym na zachowanie strumienia w osmozie w przód”. Journal of Membrane Science, 284, 237-247.

Sekcja Stowarzyszenia Kobiet Inżynierów na Cal Poly Humboldt

• Dane kontaktowe prezesa:
  • Leabeth Peterson
    • lmp56@humboldt.edu
    • swe@humboldt.edu
• Dane kontaktowe wiceprezesa:
  • Chandler Ichikawa
    • chi4@humboldt.edu
• Członkowie wspierający projekt PRO:
  • Lianna Winkler-Prins
    • lw76@humboldt.edu
  • Brian Wallace
    • bmw56@humboldt.edu
  • Kevin Kopp
    • kbk7@humboldt.edu
  • Sarah Morton
    • sdm82@humboldt.edu