Θερμοδυναμική ανάλυση συστημάτων αντίστροφης όσμωσης για αφαλάτωση θαλασσινού νερού

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η θεωρητική διερεύνηση συστημάτων αντίστροφης όσμωσης για την αφαλάτωση θαλασσινού νερού. Η μελέτη αφορά στην ανάπτυξη ενός απλού μαθηματικού μοντέλου που βασίζεται στη θεωρία διάχυσης-διάλυσης και σε πολλαπλούς μηχανισμούς ρύπανσης. Πραγματοποιήθηκε θερμοδυναμική ανάλυση σε ένα ευρύ φάσμα συνθηκών λειτουργίας με σκοπό την εξέταση της επίδρασης του βαθμού ανάκτησης και της διαπερνούσας ροής στην αποδοτικότητα του συστήματος αντίστροφης όσμωσης. Το μοντέλο επίσης εφαρμόστηκε για την επίτευξη βελτιστοποίησης στον σχεδιασμό συστημάτων αντίστροφης όσμωσης με τις ελάχιστες ενεργειακές απαιτήσεις και μέγιστες απορρίψεις βορίου. Η εργασία επίσης καταγράφει το πρόβλημα της διαθεσιμότητας καθαρού πόσιμου νερού στον παγκόσμιο πληθυσμό και αναδεικνύει την αφαλάτωση ως μέθοδο επίλυσης του προβλήματος. Αναφέρονται τα παγκόσμια πρότυπα πόσιμου νερού και παρουσιάζονται στατιστικά στοιχεία σχετικά με τη παγκόσμια παραγωγική ικανότητα των μονάδων αφαλάτωσης. Η αντίστροφη όσμωση αποτελεί τη πιο ανερχόμενη τεχνολογία αφαλάτωσης. Περιγράφονται το φαινόμενο της αντίστροφης όσμωσης, οι τύποι μεμβρανών που χρησιμοποιούνται, οι βασικές αρχές που διέπουν την αφαλάτωση αντίστροφης όσμωσης καθώς και ο σχεδιασμός των συστημάτων αντίστροφης όσμωσης. Οι διαφορές ανάμεσα στο θαλασσινό και το υφάλμυρό νερό τροφοδοσίας, η επεξεργασία του πριν και μετά την αφαλάτωση, η ρύπανση και ο καθαρισμός των μεμβρανών καθώς και η διάθεση του συμπυκνώματος αποτελούν επίσης αντικείμενο μελέτης. Τέλος υπάρχει αναφορά στις εναλλακτικές πηγές ενέργειας που μπορεί να χρησιμοποιήσει η τεχνολογία αντίστροφης όσμωσης και περιλαμβάνεται μία ανάλυση του κόστους των μονάδων αντίστροφης όσμωσης.

The purpose of this thesis is the theoretical investigation of reverse osmosis systems for seawater desalination. The study involves the development of a simple mathematical model based on the solution-diffusion theory and multiple fouling mechanisms. Performed thermodynamic analysis on a wide range of operating conditions in order to examine the effect of the recovery ratio and permeate flux on the efficiency of reverse osmosis system. The model was also applied to achieve optimization in the design of reverse osmosis systems with minimal energy requirements and maximum discharges of boron. The work also captures the problem of availability of clean drinking water in the world population and signalizes desalination as a method of problem solving. Referred to the global drinking water standards and presented statistics on the global capacity of desalination plants. Reverse osmosis is the most upcoming desalination technology. Described the phenomenon of reverse osmosis, membrane types used, the basic principles governing the desalination reverse osmosis as well as design of reverse osmosis systems. The differences between seawater and brackish feed water, treatment before and after desalination, fouling and cleaning of the membranes and the disposal of the concentrate are also studied. Finally there is reference to alternative energy sources that can use reverse osmosis technology and included an analysis of the cost of reverse osmosis units.