Учени от Масачузетски технологичен институт и Китай откриха по-ефективна и евтина технология за слънчево обезсоляване на морската вода

Приблизително две трети от човечеството е засегнато от недостиг на вода и много такива райони в развиващия се свят също са изправени пред липса на надеждно електричество. По този начин широко разпространените изследователски усилия са фокусирани върху начините за обезсоляване на морска или солена вода, използвайки само слънчева топлина. Много подобни усилия обаче се сблъскват с проблеми със замърсяването на оборудването, причинено от натрупване на сол, което често добавя сложност и разходи.

Сега екип от изследователи в Масачузетски технологичен институт (MIT) и в Китай измисли решение на проблема с натрупването на сол - и в процеса разработи система за обезсоляване, съобщи преди дни eurekalert.org

Системата е едновременно по-ефективна и по-евтина от предишните методи за слънчево обезсоляване. Процесът може да се използва и за третиране на замърсени отпадъчни води или за генериране на пара за стерилизиране на медицински инструменти, без да се изисква източник на енергия, различен от самата слънчева светлина.

Констатациите са описани днес в списание Nature Communications, в статия на Ленан Джанг от MIT и професора по машинно инженерство Евелин Уанг, както и още няколко учени.

 „Имаше много демонстрации на наистина високоефективни, отхвърлящи солта, базирани на слънчева енергия дизайни за изпаряване на различни устройства“, казва Уанг. „Предизвикателството е проблемът със замърсяването на солта, с който хората наистина не са се занимавали. И така, виждаме тези много атрактивни числа за производителност, но те често са ограничени поради дълготрайност. С течение на времето нещата ще се объркат."

 Много опити за слънчеви системи за обезсоляване разчитат на някакъв вид фитил за изтегляне на солена вода през устройството, но тези фитили са уязвими към натрупване на сол и относително трудни за почистване. Вместо това екипът се фокусира върху разработването на система без фитил. Резултатът е многопластова система с тъмен материал отгоре, за да абсорбира слънчевата топлина, след това тънък слой вода над перфориран слой материал, разположен на върха на дълбок резервоар със солена вода, като резервоар или езерце. След внимателни изчисления и експерименти, изследователите определиха оптималния размер за дупките, пробити през перфорирания материал, който в техните тестове е направен от полиуретан. С диаметър 2,5 милиметра тези дупки могат лесно да бъдат направени с помощта на общодостъпни водоструйки.

 Дупките са достатъчно големи, за да позволят естествена конвективна циркулация между по-топлия горен слой вода и по-студения резервоар отдолу. Тази циркулация естествено изтегля солта от тънкия слой отгоре надолу в много по-голямото водно тяло отдолу, където тя се разрежда добре и вече не представлява проблем. „Това ни позволява да постигнем висока производителност и същевременно да предотвратим това натрупване на сол“, казва Уанг.

Предимствата на тази система са „както високата производителност, така и надеждната работа, особено при екстремни условия, когато всъщност можем да работим с почти наситена солена вода. И това означава, че е много полезен и за пречистване на отпадъчни води." Голяма част от работата по такова обезсоляване със слънчева енергия е фокусирана върху нови материали. "Но в нашия случай ние използваме наистина евтини, почти домакински материали." Ключът беше анализирането и разбирането на конвективния поток, който задвижва тази изцяло пасивна система, казват учените. „Хората казват, че винаги се нуждаете от нови материали, скъпи или сложни конструкции или влагоуловяващи структури, за да направите това. И вярвам, че това е първият, който прави това без влаго улавящи структури.

Този нов подход „осигурява обещаващ и ефективен път за обезсоляване на разтвори с висока соленост и може да промени играта в обезсоляването на слънчевата вода“, казва Хади Гасеми, професор по химическо и биомолекулно инженерство в университета в Хюстън, който не е свързан. с тази работа. „Необходима е допълнителна работа за оценка на тази концепция в големи условия и в дългосрочен план“, добавя той.

Точно както горещият въздух се издига, а студеният пада, обяснява Джанг, естествената конвекция задвижва процеса на обезсоляване в това устройство. В затворения воден слой близо до върха „изпарението се случва в най-горния интерфейс. Поради солта, плътността на водата в най-горния интерфейс е по-висока, а долната вода има по-ниска плътност. Така че това е оригинална движеща сила за тази естествена конвекция, защото по-високата плътност в горната част кара солената течност да слиза надолу. Водата, изпарена от горната част на системата, може след това да бъде събрана върху кондензираща повърхност, осигурявайки чиста прясна вода.

Отхвърлянето на солта към водата отдолу също може да доведе до загуба на топлина в процеса, така че предотвратяването на това изисква внимателно инженерство.

Досега екипът е доказал концепцията, използвайки малки настолни устройства, така че следващата стъпка ще започне да се мащабира до устройства, които биха могли да имат практически приложения. Въз основа на техните изчисления, система със само 1 квадратен метър площ за събиране трябва да е достатъчна, за да осигури ежедневните нужди на семейството от питейна вода, казват те. Джанг казва, че са изчислили, че необходимите материали за устройство от 1 квадратен метър ще струват само около $4.

Необходимата работа за превеждане на това доказателство на концепцията в лабораторен мащаб в работещи търговски устройства и за подобряване на цялостното производство на вода трябва да бъде възможна в рамките на няколко години, казва Джанг. Първите приложения вероятно ще бъдат осигуряване на безопасна вода на отдалечени места извън мрежата или за помощ при бедствия след урагани, земетресения или други нарушения на нормалното водоснабдяване.

„Ако можем да концентрираме малко слънчевата светлина, бихме могли да използваме това пасивно устройство за генериране на високотемпературна пара, за да направим медицинска стерилизация“ за извън мрежови селски райони.

„Мисля, че реална възможност е развиващият се свят“, казва Уанг. "Това е мястото, където има най-вероятно въздействие в краткосрочен план, поради простотата на дизайна. Ако наистина искаме да го пуснем там, ние също трябва да работим с крайните потребители, за да можем наистина да възприемем начина, по който го проектираме, така че те да желаят да го използват“, допълни тя.

Екипът включва още Янг Джонг, Арни Лерой и Лин Джао от Масачузетския технологичен институт и Женюан Сю от Шанхайския университет Джиао Тонг в Китай. Работата беше подкрепена от Алианса за изследвания и технологии Сингапур-MIT, Съвместния фонд за наука и технологии на САЩ и Египет и използвани съоръжения, подкрепени от Националната научна фондация.