Le centrali elettriche assorbono più acqua dolce di qualsiasi altro consumatore negli Stati Uniti, che rappresentano oltre il 50 percento dell'uso di acqua dolce della nazione a circa 500 miliardi di galloni al giorno.

Per aiutare a salvare quest'acqua, i ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno sviluppato un nuovo filtro in silice per le acque di raffreddamento delle centrali elettriche che riduce la quantità di acqua dolce consumata dalle centrali elettriche aumentando il numero di volte in cui l'acqua della torre di raffreddamento può essere riutilizzata e riciclata.

"Abbiamo una quantità limitata di acqua in questo paese da utilizzare per tutto, dall'acqua potabile all'allevamento del bestiame, e la popolazione globale e la domanda sono in crescita, " ha detto il geochimico di Sandia Pat Brady. "Se puoi riciclare l'acqua utilizzata nelle centrali elettriche, libera molta più acqua per uso domestico e personale."

Mentre le centrali elettriche riciclano già acqua dolce, il numero di volte in cui un lotto d'acqua può essere riutilizzato è limitato dalla quantità di silice che si accumula ad ogni ciclo. La silice è un comune, sostanza naturale in acqua dolce con solubilità limitata, ed è incline a formare incrostazioni sulle turbine, caldaie, scambiatori di calore, tubi di trasferimento e altre attrezzature. Questo accumulo è problematico perché può interrompere il funzionamento dell'apparecchiatura ed è costoso da prevenire. Si stima che il costo per il trattamento e il riciclaggio dell'acqua utilizzata nelle centrali elettriche sia da 1,5 a 2 volte il costo dell'acqua dolce, spesso a causa del prezzo elevato degli attuali metodi di rimozione della silice.

"Quando hai un accumulo di silice, il trasferimento di calore è un problema, l'intasamento è un problema e la corrosione è un problema, " ha detto il chimico di Sandia Tina Nenoff. "Quindi, il nostro progetto si è concentrato sulla ricerca di un materiale e di un processo efficienti dal punto di vista energetico ed economico per rimuovere la silice dall'acqua industriale".

ricercatori dei Laboratori Nazionali Sandia, da sinistra a destra, Tina Nenoff e Pat Brady e l'ex post-dottorato Koroush Sasan hanno studiato come l'idrotalcite può filtrare la silice dall'acqua delle torri di raffreddamento nelle centrali elettriche.

Rimozione della silice con un filtro speciale

Nenoff aveva lavorato con l'idrotalcite, un materiale stratificato in idrossido di alluminio, dai primi anni 2000 quando studiava metodi per la desalinizzazione a basso costo, e pensava che il materiale potesse essere un filtro efficace per la silice.

In un progetto biennale di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio, Nenoff, Brady e il loro team di ricerca hanno creato filtri speciali, pellet e polveri di idrotalcite per studiare la capacità del materiale di filtrare la silice. Come documentato in un recente articolo su Journal of Waste Process Engineering , hanno scoperto che l'idrotalcite potrebbe rimuovere circa il 90% della silice accumulata nell'acqua riciclata ed essere riutilizzata per cinque o più cicli. Questa capacità di riutilizzare il filtro e riciclare l'acqua della torre di raffreddamento potrebbe far risparmiare denaro e risorse naturali.

"Immaginate palline di idrotalcite o una polvere come quella che si trova in un filtro per l'acqua potabile, " Ha detto Nenoff. "L'acqua scorre attraverso o sopra il materiale durante il processo di filtrazione, e la silice dell'acqua cristallizza e rimane nel filtro mentre l'acqua più pulita fuoriesce."

Il team di ricerca ha progettato il materiale idrotalcite da utilizzare per filtrare l'acqua delle torri di raffreddamento nelle centrali elettriche. Durante il processo di raffreddamento, parte dell'acqua evapora e i minerali nell'acqua, compresa la silice, accumularsi ad ogni ciclo.

"Quando riscaldi l'acqua e parte di essa evapora, la silice e altri materiali nell'acqua diventano più concentrati, " Brady ha detto. "In questo momento, potresti essere in grado di utilizzare l'acqua per alcuni cicli prima che diventi troppo concentrata, ma puntiamo a 10 o più cicli in modo che le centrali elettriche possano ridurre il consumo di acqua".

Dal laboratorio all'applicazione nel mondo reale

Oltre a studiare il materiale e la sua efficacia, il team voleva determinare come aumentare al meglio il nuovo materiale di filtrazione in modo che fosse praticabile per operazioni su larga scala nelle centrali elettriche. Studenti del dipartimento di ingegneria civile dell'Università del New Mexico, lavorando sotto la direzione del professor Kerry Howe, ha eseguito un'analisi scale-up sul materiale, e ricercatori del Livermore di Sandia, California, sito ha eseguito un'analisi tecnico-economica per stimare il risparmio energetico e dei costi per le applicazioni del mondo reale.

"Le misurazioni che facciamo qui sono in bicchieri delle dimensioni di una tazza di caffè, ma quando sei in una struttura come una centrale elettrica che usa un milione di galloni al giorno, vuoi sapere se l'idrotalcite sarà efficace a quel livello, " ha detto Brady.

Il team di ricerca ha utilizzato l'approccio multidisciplinare e le analisi per guidare i propri esperimenti al fine di trovare il miglior trattamento dell'idrotalcite per un uso industriale efficiente in termini di costi ed energia.

"Gran parte dell'industria avrà già un processo di rimozione della silice che funziona, ma potrebbe non funzionare bene, " Ha detto Nenoff. "Come risultato di questo progetto, saremo in grado di fornire loro una stima dei costi e dei risparmi energetici, e anche un risparmio previsto per tutta la vita che l'idrotalcite potrebbe fornire rispetto al loro metodo attuale. Questo tipo di modellazione e analisi fornisce più incentivo a correre il rischio di implementare un nuovo metodo".

Il team ha pubblicato tre articoli su riviste e ha ricevuto un brevetto provvisorio per il filtro.