2022 年 4 月，一队工程师徒步进入加利福尼亚州的内华达山脉寻找雪。相反，他们发现大部分是裸露、干燥的泥土，只有一小部分积雪提供了加州三分之一的供水。
在未来几十年里，美国大部分地区的水资源短缺和不安全状况可能会加剧。国家可再生能源实验室的研究员哈里斯瓦兰 (Hari) Sitaraman 说，在加利福尼亚州，内华达山脉预计将在下个世纪失去 65% 的积雪，这一数字令人震惊。这种损失，加上政治、经济和其他挑战，使得加利福尼亚等易受干旱影响的州必须开发咸水（或咸水）水和农业径流等替代水源。
然而，处理和再利用非传统供水的最常见方法是通过称为反渗透的过程，该过程既昂贵又耗能。
现在，国家水创新联盟 (NAWI) 研究联盟的两名成员 Sitaraman 和 Ilenia Battiato 已经使用超级计算机对整个反渗透系统进行了研究——这在反渗透研究的类型和规模上都是第一次。凭借他们的新技术，两人还发现了一种新的系统设计，可以使这些技术的能源效率提高约 40%——因此更具成本效益——同时生产相同数量和质量的清洁饮用水。
“直到现在，人们一直在观察整个反渗透模块的一小部分，并从中得出结论，”西塔拉曼说。 “但我们看了整件事。”
结果发表在分离与纯化技术的一篇新论文中。
Sitaraman 与斯坦福大学能源科学与工程助理教授 Battiato 一起创建了一种流体动力学求解器——一种可以分析流体（如盐水）如何流入反渗透系统、通过多个膜过滤器，以及在另一边出来干净。
通过求解器，Sitaraman 和 Battiato 高精度地研究了反渗透系统，使他们能够发现任何障碍或效率低下的地方。例如，为了过滤苦咸水，反渗透系统使用高压将水推过几层膜，这些膜就像复杂的咖啡过滤器一样，可以阻止盐分和其他矿物质通过。这个过程可以净化水，但也会在膜上形成薄薄的一层盐分。这种积聚会影响水的流动情况，可能会降低系统的效率。
“需要正确测量该薄层才能了解从盐水中提取出多少纯净水，”Sitaraman 说。 “如果你不掌握这一权利，你就无法理解运行反渗透工厂的成本。”
更高效的反渗透系统也更具成本效益。
然而，大多数反渗透工厂所有者没有一台高性能计算机来复制 Sitaraman 和 Battiato 的高保真模拟——如此准确地模仿现实生活中的反渗透技术——来发现他们自己系统中的障碍。因此，Sitaraman 执行了复杂的工作，创建了一个更简单的模型方程，可以预测系统的传质，估计可以从微咸水中过滤出多少纯水。通过他的模型，工程师们现在可以发现如何提高他们自己系统的效率（和成本）。
“如果经济状况有所改善，”西塔拉曼说，“那么反渗透系统当然会得到更广泛的应用。如果它们能效更高，它们对温室气体排放和气候变化的贡献就会减少。”
Hari Sitaraman 和 Ilenia Battiato 首次分析了整个反渗透系统，就像这里看到的那样，分析的精度是迄今为止最高的。通过他们的模拟，两人确定了一种新的结构设计，可以将这些系统的能源效率提高 40%。照片来自 NREL 的 Hari Sitaraman
这是一个巨大的胜利，但 Sitaraman 和 Battiato 的工具所带来的好处远远超过反渗透工厂的所有者。其他研究人员可以在他们的工作基础上研究除用于处理非常规水源的技术之外的各种反渗透过滤技术的效率和成本。食品工业使用这些过滤器来生产高度浓缩的果汁、更美味的奶酪等等。水族馆需要它们去除水中的有害化学物质。反渗透系统甚至可以提取有价值的矿物质和其他可用于制造廉价肥料或燃料的物质。
Battiato 说，高保真模拟的一个巨大优势是能够研究范围广泛的反渗透系统配置，而无需投入构建和试验真实系统所需的时间和金钱。
“我们希望系统能够正确捕捉物理现象，”Battiato 说，“但理论上我们不受制造的限制。”
通过模拟，团队可以快速探索更多潜在的设计并找到最好的。这就是 Battiato 和 Sitaraman 如何确定他们可能更有效的间隔物布置（这些间隔物是反渗透系统中产生湍流并保持通道畅通以帮助水流过的部分）。他们新的间隔装置不仅将系统的能源效率提高了 40%，而且还能生产等量的纯水。
尽管两人的模拟准确地复制了现实生活中的系统，但它们仍然是理论上的。 Sitaraman 希望另一个研究团队能够构建他们的设计并评估真实系统与他们的模型的匹配程度。与此同时，他们更高分辨率（或更精确和全面）的模拟可以帮助研究人员避免对反渗透系统的工作原理做出不准确的假设，并在此过程中学习如何改进技术。
今天，大多数工程师通过反复试验来发现如何改进他们的反渗透系统。但这个过程很缓慢，而且水资源短缺来得很快。借助 Battiato 和 Sitaraman 的模拟，工程师们可以加快开发更高效、更具成本效益的技术，这样该国就可以在遭受干旱的西部城镇等社区迫切需要非常规水源时获得非常规水源。
“水是一种稀缺资源，”巴蒂亚托说。 “我认为我们无法再进行粗略的优化。我们需要尽可能地节约每一滴水。”
详细了解国家水资源创新联盟及其为确保美国获得负担得起的、节能的和有弹性的供水所做的努力。
国家水创新联盟是一个公私合作伙伴关系，汇集了世界一流的行业和学术合作伙伴团队，以研究从根本上降低海水淡化成本和能源所需的关键技术障碍和研究。该联盟由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室牵头，与国家能源技术实验室、国家可再生能源实验室和橡树岭国家实验室合作，并由美国能源部工业效率和脱碳办公室资助。
凯特琳·麦克德莫特-墨菲 (Caitlin McDermott-Murphy)
特色图片 州政府官员在 4 月 1 日在内华达山脉菲利普斯站进行的积雪调查中只发现了积雪的痕迹。摄影：Kenneth James/加州水资源部
文章由美国能源部 (DOE) 的国家可再生能源实验室 (NREL) 提供。
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来源：CleanTechnic
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