قام مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمتعاونون معه بتطوير جهاز يعمل بالطاقة الشمسية تحلية المياه جهاز يتجنب مشاكل انسداد الملح في التصميمات الأخرى.
يهدف المهندسون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وفي الصين إلى تحويل مياه البحر إلى مياه للشرب باستخدام جهاز سلبي تمامًا مستوحى من المحيط ويعمل بالطاقة الشمسية.
يوجد نموذج أولي لنظام تحلية مياه مائل مكون من عشر مراحل في خزان "يشبه القارب". حقوق الصورة: جينتونغ جاو وتشن يوان شو / معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
في ورقة تظهر في المجلة جول ، يضع الفريق الخطوط العريضة لتصميم نظام جديد لتحلية المياه بالطاقة الشمسية يمتص المياه المالحة ويسخنها بأشعة الشمس الطبيعية.
إن تكوين جهاز تحلية المياه يسمح للمياه بالدوران في دوامات، مثل الدورة "الحرارية الملحية" الأكبر بكثير في المحيط. يؤدي هذا الدوران، جنبًا إلى جنب مع حرارة الشمس، إلى تبخر الماء، تاركًا وراءه الملح. يمكن بعد ذلك تكثيف بخار الماء الناتج وتجميعه كمياه نقية صالحة للشرب.
وفي هذه الأثناء، يستمر الملح المتبقي في الدوران عبر الجهاز وخارجه، بدلاً من تراكم النظام وسده.
يتمتع نظام تحلية المياه الجديد بمعدل أعلى لإنتاج المياه ومعدل رفض الأملاح أعلى من جميع مفاهيم تحلية المياه بالطاقة الشمسية السلبية الأخرى التي يتم اختبارها حاليًا.
ويقدر الباحثون أنه إذا تم توسيع النظام إلى حجم حقيبة صغيرة، فإنه يمكن أن ينتج حوالي 4 إلى 6 لترات من مياه الشرب في الساعة ويستمر عدة سنوات قبل الحاجة إلى قطع غيار. وبهذا الحجم والأداء، يمكن للنظام إنتاج مياه الشرب بمعدل وسعر أرخص من مياه الصنبور.
اختبار خارجي للنموذج الأولي تحت ضوء الشمس الطبيعي. اعتمادات الصورة: جينتونغ جاو وتشن يوان شو / معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
يقول لينان تشانغ، عالم الأبحاث في مختبر أبحاث الأجهزة التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "لأول مرة، من الممكن أن تكون المياه الناتجة عن ضوء الشمس أرخص من مياه الصنبور".
ويتصور الفريق أن جهاز تحلية المياه الموسع يمكن أن ينتج بشكل سلبي ما يكفي من مياه الشرب لتلبية الاحتياجات اليومية لعائلة صغيرة. يمكن للنظام أيضًا إمداد المجتمعات الساحلية خارج الشبكة حيث يمكن الوصول بسهولة إلى مياه البحر.
من بين المؤلفين المشاركين في دراسة تشانغ، طالب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، يانغ تشونغ، وإيفلين وانغ، أستاذ الهندسة في فورد، إلى جانب جينتونغ جاو، وجينفانج يو، وتشانيو يي، وروزهو وانغ، وتشن يوان شو من جامعة شنغهاي جياو تونغ في الصين.
الحمل الحراري القوي
يعمل نظام تحلية المياه الجديد للفريق على تحسين أداءه التصميم السابق - مفهوم مماثل للطبقات المتعددة، يسمى المراحل. تحتوي كل مرحلة على مبخر ومكثف يستخدم حرارة الشمس لفصل الملح بشكل سلبي عن المياه الواردة.
هذا التصميم، الذي اختبره الفريق على سطح أحد مباني معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، نجح في تحويل طاقة الشمس بكفاءة إلى تبخير الماء، والذي تم تكثيفه بعد ذلك إلى مياه صالحة للشرب.
لكن الملح المتبقي تراكم بسرعة على شكل بلورات أدت إلى انسداد النظام بعد بضعة أيام. في بيئة العالم الحقيقي، سيتعين على المستخدم وضع المراحل على أساس متكرر، الأمر الذي من شأنه أن يزيد بشكل كبير من التكلفة الإجمالية للنظام.
وفي إطار جهود المتابعة، قاموا ابتكر حلا مع تكوين طبقات مماثل، ولكن هذه المرة مع ميزة إضافية تساعد على تدوير المياه الواردة وكذلك أي ملح متبقي. وفي حين أن هذا التصميم يمنع الملح من الترسب والتراكم على الجهاز، فإنه يقوم بتحلية المياه بمعدل منخفض نسبيًا.
في أحدث نسخة، يعتقد الفريق أنه توصل إلى تصميم نظام تحلية المياه الذي يحقق معدلًا مرتفعًا لإنتاج المياه ورفضًا عاليًا للملح، مما يعني أن النظام يمكنه إنتاج مياه الشرب بسرعة وبشكل موثوق لفترة طويلة.
إن مفتاح تصميمهم الجديد هو مزيج من المفهومين السابقين: نظام متعدد المراحل من المبخرات والمكثفات، والذي تم تكوينه أيضًا لتعزيز دوران الماء والملح داخل كل مرحلة.
يقول شو: "نحن نقدم الآن حملًا حراريًا أكثر قوة، يشبه ما نراه عادة في المحيط، على نطاق كيلومتر واحد".
تشبه الدورات الصغيرة المتولدة في النظام الجديد للفريق الحمل الحراري "الحراري الملحي" في المحيط - وهي ظاهرة تدفع حركة المياه حول العالم، بناءً على الاختلافات في درجة حرارة البحر ("الحرارية") والملوحة ("الحرارية") ).
"عندما تتعرض مياه البحر للهواء، فإن ضوء الشمس يدفع الماء إلى التبخر. وبمجرد أن يغادر الماء السطح، يبقى الملح. وكلما زاد تركيز الملح، زادت كثافة السائل، وهذا الماء الأثقل يريد التدفق إلى الأسفل.
"من خلال محاكاة هذه الظاهرة التي يبلغ عرضها كيلومترًا واحدًا في صندوق صغير، يمكننا الاستفادة من هذه الميزة لرفض الملح."
التنصت
قلب التصميم الجديد للفريق عبارة عن مرحلة واحدة تشبه صندوقًا رفيعًا، تعلوه مادة داكنة تمتص حرارة الشمس بكفاءة. في الداخل، يتم فصل الصندوق إلى قسم علوي وسفلي.
يمكن أن يتدفق الماء من خلال النصف العلوي، حيث يكون السقف مبطنًا بطبقة مبخر تستخدم حرارة الشمس لتدفئة وتبخير أي ماء يتلامس مباشرة. يتم بعد ذلك توجيه بخار الماء إلى النصف السفلي من الصندوق، حيث تعمل طبقة تكثيف الهواء على تبريد البخار وتحويله إلى سائل خالٍ من الملح وصالح للشرب.
وضع الباحثون الصندوق بأكمله بشكل مائل داخل وعاء فارغ أكبر، ثم وصلوا أنبوبًا من النصف العلوي للصندوق إلى أسفل عبر قاع الوعاء، ثم قاموا بتعويم الوعاء في المياه المالحة.
في هذا التكوين، يمكن للمياه أن تدفع بشكل طبيعي عبر الأنبوب إلى داخل الصندوق، حيث يؤدي ميل الصندوق، جنبًا إلى جنب مع الطاقة الحرارية القادمة من الشمس، إلى حث الماء على الدوران أثناء تدفقه عبره. تساعد الدوامات الصغيرة على توصيل الماء إلى طبقة التبخر العلوية مع الحفاظ على دوران الملح، بدلاً من الترسيب والانسداد.
وقام الفريق ببناء عدة نماذج أولية لجهاز التحلية هذا، بمرحلة واحدة وثلاث و10 مراحل، واختبروا أدائها في المياه ذات الملوحة المتفاوتة، بما في ذلك مياه البحر الطبيعية والمياه الأكثر ملوحة بسبع مرات.
ومن خلال هذه الاختبارات، حسب الباحثون أنه إذا تم توسيع كل مرحلة إلى متر مربع، فإنها ستنتج ما يصل إلى 5 لترات من مياه الشرب في الساعة، وأن النظام يمكنه تحلية المياه دون تراكم الملح لعدة سنوات.
ونظرًا لهذا العمر الطويل، وحقيقة أن النظام سلبي تمامًا، ولا يحتاج إلى كهرباء لتشغيله، يقدر الفريق أن التكلفة الإجمالية لتشغيل النظام ستكون أرخص من تكلفة إنتاج مياه الصنبور في الولايات المتحدة.
يقول تشونغ: "لقد أظهرنا أن هذا الجهاز قادر على تحقيق عمر طويل". "وهذا يعني أنه، لأول مرة، من الممكن أن تكون مياه الشرب التي تنتجها أشعة الشمس أرخص من مياه الصنبور. وهذا يفتح إمكانية تحلية المياه بالطاقة الشمسية لمعالجة مشاكل العالم الحقيقي.
يقول جويهوا يو، الذي يعمل على تطوير أنظمة مستدامة لتخزين المياه والطاقة في جامعة تكساس في أوستن، ولم يشارك في البحث: "هذا نهج مبتكر للغاية يخفف بشكل فعال من التحديات الرئيسية في مجال تحلية المياه".
"إن التصميم مفيد بشكل خاص للمناطق التي تعاني من ارتفاع نسبة الملوحة في المياه. إن تصميمها المعياري يجعلها مناسبة للغاية لإنتاج المياه المنزلية، مما يسمح بقابلية التوسع والقدرة على التكيف لتلبية الاحتياجات الفردية.
بقلم جينيفر تشو
المصدر معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
