Inženýři a spolupracovníci MIT vyvinuli solární zařízení odsolování zařízení, které se vyhýbá problémům s ucpáváním solí u jiných konstrukcí.
Inženýři z MIT a v Číně mají za cíl přeměnit mořskou vodu na pitnou pomocí zcela pasivního zařízení inspirovaného oceánem a poháněného sluncem.
Prototyp nakloněného desetistupňového odsolovacího systému je umístěn v nádrži „jako loď“. Obrazový kredit: Jintong Gao a Zhenyuan Xu / MIT
V článku vycházejícím v časopise Joule, tým nastiňuje návrh nového solárního odsolovacího systému, který přijímá slanou vodu a ohřívá ji přirozeným slunečním světlem.
Konfigurace odsolovacího zařízení umožňuje vodě cirkulovat ve vířivých vírech, jako je mnohem větší „termohalinová“ cirkulace oceánu. Tato cirkulace v kombinaci se slunečním teplem odpařuje vodu a zanechává sůl. Výsledná vodní pára pak může být kondenzována a shromažďována jako čistá pitná voda.
Mezitím zbytky soli nadále cirkulují skrz zařízení a ven ze zařízení, spíše než aby se hromadily a ucpaly systém.
Nový systém odsolování má vyšší rychlost produkce vody a vyšší míru odmítnutí soli než všechny ostatní koncepty pasivního solárního odsolování, které jsou v současnosti testovány.
Vědci odhadují, že pokud se systém zvětší na velikost malého kufru, mohl by produkovat asi 4 až 6 litrů pitné vody za hodinu a vydržel by několik let, než bude vyžadovat náhradní díly. V tomto měřítku a výkonu by systém mohl vyrábět pitnou vodu rychlostí a cenou, která je levnější než voda z kohoutku.
Venkovní test prototypu pod přirozeným slunečním světlem. Obrazový kredit: Jintong Gao a Zhenyuan Xu / MIT
„Poprvé je možné, že voda produkovaná slunečním zářením je ještě levnější než voda z kohoutku,“ říká Lenan Zhang, vědecký pracovník v laboratoři MIT's Device Research Laboratory.
Tým si představuje, že zvětšené odsolovací zařízení by mohlo pasivně produkovat dostatek pitné vody pro uspokojení každodenních požadavků malé rodiny. Systém by také mohl zásobovat mimosíťové pobřežní komunity, kde je mořská voda snadno dostupná.
Mezi spoluautory studie Zhang patří postgraduální student MIT Yang Zhong a Evelyn Wang, profesorka inženýrství Ford, spolu s Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang a Zhenyuan Xu z Shanghai Jiao Tong University v Číně.
Silná konvekce
Nový systém odsolování týmu je lepší předchozí design — podobný koncept více vrstev, nazývaných stupně. Každý stupeň obsahoval výparník a kondenzátor, které využívaly teplo ze slunce k pasivní separaci soli od přicházející vody.
Tento design, který tým testoval na střeše budovy MIT, účinně přeměňoval sluneční energii na odpařování vody, která pak kondenzovala na pitnou vodu.
Ale sůl, která zbyla, se rychle nahromadila jako krystaly, které po několika dnech ucpaly systém. V prostředí reálného světa by uživatel musel umisťovat jeviště často, což by výrazně zvýšilo celkové náklady systému.
V následné snaze, oni vymyslel řešení s podobnou vrstvenou konfigurací, tentokrát s přidanou funkcí, která pomáhala cirkulovat přiváděnou vodu a také zbytky soli. I když tato konstrukce bránila usazování a hromadění soli na zařízení, odsolovala vodu relativně nízkou rychlostí.
V nejnovější iteraci tým věří, že přistál na návrhu systému odsolování, který dosahuje jak vysoké rychlosti produkce vody, tak vysokého odlučování soli, což znamená, že systém může rychle a spolehlivě vyrábět pitnou vodu po dlouhou dobu.
Klíčem k jejich novému designu je kombinace jejich dvou předchozích konceptů: vícestupňový systém výparníků a kondenzátorů, který je také nakonfigurován tak, aby podporoval cirkulaci vody – a soli – v každém stupni.
"Nyní představujeme ještě výkonnější konvekci, která je podobná tomu, co obvykle vidíme v oceánu, v kilometrových měřítkách," říká Xu.
Malé cirkulace generované v novém systému týmu jsou podobné „termohalinové“ konvekci v oceánu – jevu, který řídí pohyb vody po celém světě na základě rozdílů v teplotě moře („termo“) a slanosti („halin“ ).
„Když je mořská voda vystavena vzduchu, sluneční světlo pohání vodu k odpařování. Jakmile voda opustí povrch, zůstane sůl. A čím vyšší je koncentrace soli, tím je kapalina hustší a tato těžší voda chce stékat dolů,“ vysvětluje Zhang.
"Napodobením tohoto kilometrového jevu v malé krabici můžeme využít této funkce k odmítnutí soli."
Vyťukávání
Srdcem nového designu týmu je jediný stupeň, který připomíná tenkou krabici, zakončenou tmavým materiálem, který účinně pohlcuje sluneční teplo. Uvnitř je krabice rozdělena na horní a spodní část.
Voda může protékat horní polovinou, kde je strop lemován vrstvou výparníku, která využívá sluneční teplo k ohřevu a odpařování veškeré vody v přímém kontaktu. Vodní pára je pak odváděna do spodní poloviny boxu, kde kondenzační vrstva vzduchem ochlazuje páru na pitnou tekutinu bez obsahu solí.
Vědci naklonili celou krabici do větší prázdné nádoby, pak připojili trubici z horní poloviny krabice dolů skrz dno nádoby a plavili nádobu ve slané vodě.
V této konfiguraci může voda přirozeně tlačit nahoru skrz trubici a do boxu, kde naklonění boxu v kombinaci s tepelnou energií ze slunce způsobí víření vody, když protéká. Malé víry pomáhají dostat vodu do kontaktu s horní odpařovací vrstvou a zároveň udržují sůl v cirkulaci, spíše než aby se usazovala a ucpávala.
Tým postavil několik prototypů tohoto odsolovacího zařízení s jedním, třemi a 10 stupni a testoval jejich výkon ve vodě s různou slaností, včetně přírodní mořské vody a vody, která byla sedmkrát slanější.
Z těchto testů vědci vypočítali, že pokud by byla každá fáze zvětšena na metr čtvereční, vyprodukovalo by se až 5 litrů pitné vody za hodinu a že systém dokázal odsolovat vodu bez hromadění soli po dobu několika let.
Vzhledem k této prodloužené životnosti a skutečnosti, že systém je zcela pasivní a nevyžaduje k provozu žádnou elektřinu, tým odhaduje, že celkové náklady na provoz systému by byly levnější než náklady na výrobu vody z vodovodu ve Spojených státech.
„Ukazujeme, že toto zařízení je schopno dosáhnout dlouhé životnosti,“ říká Zhong. „To znamená, že poprvé je možné, že pitná voda vyrobená slunečním zářením bude levnější než voda z kohoutku. To otevírá možnost pro solární odsolování k řešení skutečných problémů."
„Jedná se o velmi inovativní přístup, který účinně zmírňuje klíčové výzvy v oblasti odsolování,“ říká Guihua Yu, který vyvíjí udržitelné systémy pro skladování vody a energie na Texaské univerzitě v Austinu a nebyl zapojen do výzkumu.
„Návrh je zvláště výhodný pro regiony, které se potýkají s vodou s vysokou slaností. Díky modulárnímu designu je velmi vhodný pro výrobu vody v domácnostech, což umožňuje škálovatelnost a přizpůsobivost pro splnění individuálních potřeb.
Napsala Jennifer Chu
