MIT ingenieurs en medewerkers het 'n sonkrag-aangedrewe ontsouting toestel wat soutverstoppingsprobleme van ander ontwerpe vermy.
Ingenieurs by MIT en in China beoog om seewater in drinkwater te verander met 'n heeltemal passiewe toestel wat deur die see geïnspireer is en deur die son aangedryf word.
'n Gekantelde tien-stadium ontsoutingstelsel prototipe is geleë in 'n "boot-agtige" reservoir. Beeldkrediet: Jintong Gao en Zhenyuan Xu / MIT
In 'n referaat wat in die joernaal verskyn Joule, die span skets die ontwerp vir 'n nuwe sonkrag-ontsoutingstelsel wat soutwater inneem en dit met natuurlike sonlig verhit.
Die ontsoutingstoestel se konfigurasie laat water toe om in wervelende werwels te sirkuleer, soos die see se veel groter "termohalien"-sirkulasie. Hierdie sirkulasie, gekombineer met die son se hitte, verdamp water en laat sout agter. Die resulterende waterdamp kan dan gekondenseer word en as suiwer, drinkbare water opgevang word.
Intussen gaan die oorskiet sout voort om deur en uit die toestel te sirkuleer, eerder as om die stelsel op te bou en te verstop.
Die nuwe ontsoutingstelsel het 'n hoër waterproduksietempo en 'n hoër soutverwerpingskoers as alle ander passiewe sonontsoutingskonsepte wat tans getoets word.
Die navorsers skat dat as die stelsel opgeskaal word tot die grootte van 'n klein tas, dit ongeveer 4 tot 6 liter drinkwater per uur kan produseer en etlike jare kan hou voordat dit vervangingsonderdele benodig. Op hierdie skaal en prestasie kan die stelsel drinkwater produseer teen 'n koers en prys wat goedkoper is as kraanwater.
Buitelugtoets van die prototipe onder natuurlike sonlig. Beeldkrediete: Jintong Gao en Zhenyuan Xu / MIT
"Vir die eerste keer is dit moontlik dat water, wat deur sonlig geproduseer word, selfs goedkoper is as kraanwater," sê Lenan Zhang, 'n navorsingswetenskaplike in MIT se Device Research Laboratory.
Die span beoog 'n opgeskaalde ontsoutingstoestel wat passief genoeg drinkwater kan produseer om aan die daaglikse vereistes van 'n klein gesin te voldoen. Die stelsel kan ook buite die netwerk, kusgemeenskappe voorsien waar seewater maklik toeganklik is.
Zhang se studie mede-outeurs sluit in MIT gegradueerde student Yang Zhong en Evelyn Wang, die Ford Professor van Ingenieurswese, saam met Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang, en Zhenyuan Xu van Shanghai Jiao Tong Universiteit in China.
'n Kragtige konveksie
Die span se nuwe ontsoutingstelsel verbeter op hul vorige ontwerp — 'n soortgelyke konsep van veelvuldige lae, genoem stadiums. Elke stadium het 'n verdamper en 'n kondensor bevat wat hitte van die son gebruik het om sout passief van inkomende water te skei.
Dié ontwerp, wat die span op die dak van ’n MIT-gebou getoets het, het die son se energie doeltreffend omgeskakel na verdampingswater, wat dan in drinkbare water gekondenseer is.
Maar die sout wat oorgebly het, het vinnig opgehoop as kristalle wat die stelsel na 'n paar dae verstop het. In 'n werklike omgewing sal 'n gebruiker gereeld stadiums moet plaas, wat die stelsel se algehele koste aansienlik sal verhoog.
In 'n opvolgpoging het hulle oplossing bedink met 'n soortgelyke gelaagde opset, hierdie keer met 'n bykomende kenmerk wat gehelp het om die inkomende water sowel as enige oorblywende sout te sirkuleer. Terwyl hierdie ontwerp verhoed het dat sout neerslaan en op die toestel ophoop, het dit water teen 'n relatief lae tempo ontsout.
In die jongste herhaling glo die span dat dit op 'n ontsoutingstelselontwerp beland het wat beide 'n hoë waterproduksietempo en hoë soutverwerping behaal, wat beteken dat die stelsel vinnig en betroubaar drinkwater vir 'n lang tydperk kan produseer.
Die sleutel tot hul nuwe ontwerp is 'n kombinasie van hul twee vorige konsepte: 'n meerfase-stelsel van verdampers en kondensators, wat ook gekonfigureer is om die sirkulasie van water - en sout - binne elke stadium te bevorder.
"Ons stel nou 'n selfs kragtiger konveksie bekend, wat soortgelyk is aan wat ons tipies in die see sien, op kilometerlange skale," sê Xu.
Die klein sirkulasies wat in die span se nuwe stelsel gegenereer word, is soortgelyk aan die "termohalien" konveksie in die see - 'n verskynsel wat die beweging van water regoor die wêreld dryf, gebaseer op verskille in seetemperatuur ("termo") en soutgehalte ("halien" ).
“Wanneer seewater aan lug blootgestel word, dryf sonlig water om te verdamp. Sodra water die oppervlak verlaat, bly sout oor. En hoe hoër die soutkonsentrasie, hoe digter is die vloeistof, en hierdie swaarder water wil afwaarts vloei,” verduidelik Zhang.
"Deur hierdie kilometer-wye verskynsel in 'n klein boks na te boots, kan ons voordeel trek uit hierdie kenmerk om sout te verwerp."
Tik uit
Die hart van die span se nuwe ontwerp is 'n enkele verhoog wat soos 'n dun boks lyk, bedek met 'n donker materiaal wat die hitte van die son doeltreffend absorbeer. Binne is die boks in 'n boonste en onderste gedeelte geskei.
Water kan deur die boonste helfte vloei, waar die plafon gevoer is met 'n verdamperlaag wat die son se hitte gebruik om op te warm en enige water in direkte kontak te verdamp. Die waterdamp word dan na die onderste helfte van die boks gevoer, waar 'n kondenserende laag die damp lugafkoel tot soutvrye, drinkbare vloeistof.
Die navorsers het die hele boks teen 'n kantel in 'n groter, leë houer gestel, dan 'n buis van die boonste helfte van die boks af deur die onderkant van die houer vasgemaak en die vaartuig in soutwater laat dryf.
In hierdie konfigurasie kan water natuurlik opstoot deur die buis en in die boks, waar die kantel van die boks, gekombineer met die termiese energie van die son, die water veroorsaak om te warrel soos dit daardeur vloei. Die klein werwels help om water in kontak te bring met die boonste verdampingslaag terwyl sout sirkuleer, eerder as om te sak en te verstop.
Die span het verskeie prototipes van hierdie ontsoutingstoestel gebou, met een, drie en 10 fases, en hul werkverrigting getoets in water met verskillende soutgehalte, insluitend natuurlike seewater en water wat sewe keer souter was.
Uit hierdie toetse het die navorsers bereken dat as elke stadium tot ’n vierkante meter opgeskaal word, dit tot 5 liter drinkwater per uur sal produseer, en dat die stelsel water kan ontsout sonder om sout op te bou vir etlike jare.
Gegewe hierdie verlengde leeftyd, en die feit dat die stelsel heeltemal passief is en geen elektrisiteit benodig om te loop nie, skat die span dat die algehele koste om die stelsel te bestuur goedkoper sal wees as wat dit kos om kraanwater in die Verenigde State te produseer.
"Ons wys dat hierdie toestel in staat is om 'n lang leeftyd te bereik," sê Zhong. “Dit beteken dat dit vir die eerste keer moontlik is dat drinkwater wat deur sonlig geproduseer word goedkoper is as kraanwater. Dit maak die moontlikheid oop vir sonontsouting om werklike probleme aan te spreek.”
"Dit is 'n baie innoverende benadering wat sleuteluitdagings op die gebied van ontsouting effektief versag," sê Guihua Yu, wat volhoubare water- en energiebergingstelsels aan die Universiteit van Texas in Austin ontwikkel, en was nie by die navorsing betrokke nie.
“Die ontwerp is veral voordelig vir streke wat sukkel met hoë soutwater. Die modulêre ontwerp maak dit uiters geskik vir huishoudelike waterproduksie, wat skaalbaarheid en aanpasbaarheid moontlik maak om aan individuele behoeftes te voldoen.”
Geskryf deur Jennifer Chu
Bron: MIT
