Les centrales électriques consomment plus d'eau douce que tout autre consommateur aux États-Unis, représentant plus de 50 pour cent de l'utilisation d'eau douce de la nation à environ 500 milliards de gallons par jour.

Pour aider à économiser cette eau, des chercheurs de Sandia National Laboratories ont développé un nouveau filtre en silice pour les eaux de refroidissement des centrales électriques qui diminue la quantité d'eau douce consommée par les centrales électriques en augmentant le nombre de fois que l'eau des tours de refroidissement peut être réutilisée et recyclée.

"Nous avons une quantité limitée d'eau dans ce pays à utiliser pour tout, de l'eau potable à l'élevage du bétail, et la population et la demande mondiales augmentent, " a déclaré le géochimiste de Sandia Pat Brady. " Si vous pouvez recycler l'eau utilisée dans les centrales électriques, cela libère beaucoup plus d'eau pour un usage domestique et personnel."

Alors que les centrales électriques recyclent déjà l'eau douce, le nombre de fois qu'un lot d'eau peut être réutilisé est limité par la quantité de silice qui s'accumule à chaque cycle. La silice est une commune, substance naturellement présente dans l'eau douce avec une solubilité limitée, et a tendance à former des écailles sur les turbines, chaudières, échangeurs de chaleur, tuyaux de transfert et autres équipements. Cette accumulation est problématique car elle peut perturber le fonctionnement de l'équipement et est coûteuse à prévenir. Le coût de traitement et de recyclage de l'eau utilisée dans les centrales électriques est estimé à 1,5 à 2 fois le coût de l'eau douce, souvent en raison du prix élevé des méthodes actuelles d'élimination de la silice.

« Quand vous avez une accumulation de silice, le transfert de chaleur est un problème, le colmatage est un problème et la corrosion est un problème, " a déclaré la chimiste de Sandia Tina Nenoff. " Alors, notre projet s'est concentré sur la recherche d'un matériau et d'un procédé écoénergétiques et économiques pour éliminer la silice de l'eau industrielle."

Chercheurs des Laboratoires nationaux Sandia, de gauche à droite, Tina Nenoff et Pat Brady et l'ancien postdoctorant Koroush Sasan ont étudié comment l'hydrotalcite peut filtrer la silice de l'eau des tours de refroidissement des centrales électriques.

Enlever la silice avec un filtre spécial

Nenoff avait travaillé avec de l'hydrotalcite, un matériau stratifié en hydroxyde d'aluminium, depuis le début des années 2000 où elle étudiait les méthodes de dessalement à faible coût, et pensé que le matériau pourrait être un filtre efficace pour la silice.

Dans un projet de recherche et développement dirigé par un laboratoire de deux ans, Nenoff, Brady et leur équipe de recherche ont créé des filtres spéciaux, pastilles et poudres d'hydrotalcite pour étudier la capacité du matériau à filtrer la silice. Comme documenté dans un article récent dans le Journal of Waste Process Engineering , ils ont découvert que l'hydrotalcite pouvait éliminer environ 90 pour cent de la silice accumulée dans l'eau recyclée et être réutilisée pendant cinq cycles ou plus. Cette capacité à réutiliser le filtre et à recycler l'eau de la tour de refroidissement pourrait économiser à la fois de l'argent et des ressources naturelles.

« Envisagez des pastilles d'hydrotalcite ou une poudre comme celle que l'on trouve dans un filtre à eau potable, " a déclaré Nenoff. " L'eau s'écoule à travers ou sur le matériau pendant le processus de filtration, et la silice de l'eau cristallise et reste dans le filtre tandis que de l'eau plus propre s'écoule."

L'équipe de recherche a conçu le matériau hydrotalcite à utiliser pour filtrer l'eau des tours de refroidissement dans les centrales électriques. Pendant le processus de refroidissement, une partie de l'eau s'évapore et les minéraux dans l'eau, y compris la silice, s'accumuler à chaque cycle.

"Lorsque vous chauffez l'eau et qu'une partie s'évapore, la silice et d'autres matériaux dans l'eau deviennent plus concentrés, " Brady a dit. " En ce moment, vous pourrez peut-être utiliser l'eau pendant quelques cycles avant qu'elle ne devienne trop concentrée, mais nous visons 10 cycles ou plus pour que les centrales électriques puissent réduire la consommation d'eau."

Du laboratoire à l'application dans le monde réel

En plus d'étudier le matériau et son efficacité, l'équipe souhaitait déterminer la meilleure façon de mettre à l'échelle le nouveau matériau de filtration afin qu'il soit viable pour les opérations à grande échelle dans les centrales électriques. Étudiants du département de génie civil de l'Université du Nouveau-Mexique, travaillant sous la direction du professeur Kerry Howe, a effectué une analyse à grande échelle sur le matériau, et des chercheurs de Sandia's Livermore, Californie, site a effectué une analyse technico-économique pour estimer les coûts et les économies d'énergie pour les applications du monde réel.

"Les mesures que nous faisons ici sont dans des béchers de la taille d'une tasse de café, mais quand vous êtes dans une installation comme une centrale électrique qui utilise un million de gallons par jour, vous voulez savoir si l'hydrotalcite sera efficace à ce niveau, " a déclaré Brady.

L'équipe de recherche a utilisé l'approche et les analyses multidisciplinaires pour guider ses expériences afin de trouver le meilleur traitement de l'hydrotalcite pour une utilisation industrielle efficace en termes de coûts et d'énergie.

"Une grande partie de l'industrie aura déjà un processus d'élimination de la silice qui fonctionne, mais cela peut ne pas bien fonctionner, " a déclaré Nenoff. " À la suite de ce projet, nous pourrons leur donner une estimation des coûts et des économies d'énergie, et même des économies de durée de vie projetées que l'hydrotalcite pourrait fournir par rapport à leur méthode actuelle. Ce type de modélisation et d'analyse incite davantage à prendre le risque de mettre en œuvre une nouvelle méthode."

L'équipe a publié trois articles de revues et a reçu un brevet provisoire pour le filtre.