MIT-Ingenieure und Mitarbeiter entwickelten ein solarbetriebenes Gerät Entsalzung Gerät, das Salzverstopfungsprobleme anderer Designs vermeidet.
Ingenieure am MIT und in China wollen Meerwasser mit einem vollständig passiven Gerät, das vom Meer inspiriert und von der Sonne angetrieben wird, in Trinkwasser umwandeln.
Ein geneigter Prototyp eines zehnstufigen Entsalzungssystems befindet sich in einem „bootähnlichen“ Reservoir. Bildnachweis: Jintong Gao und Zhenyuan Xu / MIT
In einem Artikel, der in der Zeitschrift erscheint Joule, Das Team skizziert den Entwurf für ein neues solares Entsalzungssystem, das Salzwasser aufnimmt und es mit natürlichem Sonnenlicht erhitzt.
Die Konfiguration des Entsalzungsgeräts ermöglicht die Zirkulation des Wassers in wirbelnden Wirbeln, ähnlich der viel größeren „thermohalinen“ Zirkulation des Ozeans. Diese Zirkulation, kombiniert mit der Sonnenwärme, verdunstet Wasser und hinterlässt Salz. Der entstehende Wasserdampf kann dann kondensiert und als reines Trinkwasser gesammelt werden.
In der Zwischenzeit zirkuliert das übrig gebliebene Salz weiter durch das Gerät und aus ihm heraus, anstatt sich anzusammeln und das System zu verstopfen.
Das neue Entsalzungssystem weist eine höhere Wasserproduktionsrate und eine höhere Salzrückhalterate auf als alle anderen derzeit getesteten passiven solaren Entsalzungskonzepte.
Die Forscher schätzen, dass das System, wenn es auf die Größe eines kleinen Koffers vergrößert wird, etwa 4 bis 6 Liter Trinkwasser pro Stunde produzieren und mehrere Jahre halten könnte, bevor Ersatzteile erforderlich wären. Bei diesem Umfang und dieser Leistung könnte das System Trinkwasser zu einem Preis und zu einem Preis produzieren, der günstiger ist als Leitungswasser.
Outdoor-Test des Prototyps unter natürlichem Sonnenlicht. Bildnachweis: Jintong Gao und Zhenyuan Xu / MIT
„Zum ersten Mal ist es möglich, dass durch Sonnenlicht erzeugtes Wasser sogar billiger ist als Leitungswasser“, sagt Lenan Zhang, Forscher im Device Research Laboratory des MIT.
Das Team stellt sich vor, dass eine vergrößerte Entsalzungsanlage passiv genug Trinkwasser produzieren könnte, um den täglichen Bedarf einer kleinen Familie zu decken. Das System könnte auch netzunabhängige Küstengemeinden versorgen, in denen Meerwasser leicht zugänglich ist.
Zu den Co-Autoren von Zhangs Studie gehören der MIT-Absolvent Yang Zhong und Evelyn Wang, die Ford-Professorin für Ingenieurwissenschaften, sowie Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang und Zhenyuan Xu von der Shanghai Jiao Tong University in China.
Eine starke Konvektion
Das neue Entsalzungssystem des Teams verbessert ihre Leistung vorheriges Design – ein ähnliches Konzept aus mehreren Schichten, sogenannten Stufen. Jede Stufe enthielt einen Verdampfer und einen Kondensator, die die Sonnenwärme nutzten, um passiv Salz vom einströmenden Wasser abzutrennen.
Dieses Design, das das Team auf dem Dach eines MIT-Gebäudes testete, wandelte die Sonnenenergie effizient in die Verdunstung von Wasser um, das dann zu Trinkwasser kondensierte.
Doch das übriggebliebene Salz sammelte sich schnell zu Kristallen an, die nach wenigen Tagen das System verstopften. In einer realen Umgebung müsste ein Benutzer häufig Bühnen platzieren, was die Gesamtkosten des Systems erheblich erhöhen würde.
In einer Folgemaßnahme haben sie eine Lösung erdacht mit einer ähnlichen Schichtkonfiguration, dieses Mal mit einer zusätzlichen Funktion, die dazu beitrug, das einströmende Wasser sowie eventuell übriggebliebenes Salz zu zirkulieren. Diese Konstruktion verhindert zwar, dass sich Salz auf dem Gerät absetzt und ansammelt, entsalzt das Wasser jedoch relativ langsam.
Das Team ist davon überzeugt, dass es in der neuesten Version ein Entsalzungssystemdesign gefunden hat, das sowohl eine hohe Wasserproduktionsrate als auch eine hohe Salzrückhaltung erreicht, was bedeutet, dass das System über einen längeren Zeitraum schnell und zuverlässig Trinkwasser produzieren kann.
Der Schlüssel zu ihrem neuen Design ist eine Kombination ihrer beiden vorherigen Konzepte: ein mehrstufiges System aus Verdampfern und Kondensatoren, das außerdem so konfiguriert ist, dass es die Zirkulation von Wasser – und Salz – in jeder Stufe fördert.
„Wir führen jetzt eine noch stärkere Konvektion ein, die dem ähnelt, was wir normalerweise im Ozean sehen, und zwar auf kilometerlangen Skalen“, sagt Xu.
Die im neuen System des Teams erzeugten kleinen Zirkulationen ähneln der „thermohalinen“ Konvektion im Ozean – einem Phänomen, das die Bewegung von Wasser auf der ganzen Welt antreibt, basierend auf Unterschieden in der Meerestemperatur („thermo“) und dem Salzgehalt („haline“). ).
„Wenn Meerwasser der Luft ausgesetzt wird, lässt Sonnenlicht das Wasser verdunsten. Sobald Wasser die Oberfläche verlässt, bleibt Salz zurück. Und je höher die Salzkonzentration, desto dichter ist die Flüssigkeit und dieses schwerere Wasser möchte nach unten fließen“, erklärt Zhang.
„Indem wir dieses kilometerweite Phänomen in einem kleinen Kasten nachahmen, können wir diese Funktion nutzen, um Salz abzulehnen.“
Aufgeben
Das Herzstück des neuen Entwurfs des Teams ist eine einzelne Bühne, die einem dünnen Kasten ähnelt und mit einem dunklen Material bedeckt ist, das die Hitze der Sonne effizient absorbiert. Im Inneren ist die Box in einen Ober- und einen Unterteil unterteilt.
Wasser kann durch die obere Hälfte fließen, wo die Decke mit einer Verdunsterschicht ausgekleidet ist, die die Sonnenwärme nutzt, um das in direktem Kontakt stehende Wasser zu erwärmen und zu verdampfen. Der Wasserdampf wird dann in die untere Hälfte der Box geleitet, wo eine Kondensationsschicht den Dampf durch Luftkühlung in eine salzfreie, trinkbare Flüssigkeit umwandelt.
Die Forscher stellten die gesamte Kiste schräg in ein größeres, leeres Gefäß, befestigten dann einen Schlauch von der oberen Hälfte der Kiste nach unten durch den Boden des Gefäßes und ließen das Gefäß im Salzwasser schwimmen.
In dieser Konfiguration kann Wasser auf natürliche Weise durch das Rohr nach oben und in den Kasten dringen, wo die Neigung des Kastens in Kombination mit der Wärmeenergie der Sonne das Wasser beim Durchströmen in Wirbel versetzt. Die kleinen Wirbel tragen dazu bei, dass Wasser mit der oberen Verdunstungsschicht in Kontakt kommt, während das Salz zirkuliert, anstatt sich abzusetzen und zu verstopfen.
Das Team baute mehrere Prototypen dieses Entsalzungsgeräts mit einer, drei und zehn Stufen und testete ihre Leistung in Wasser mit unterschiedlichem Salzgehalt, darunter natürliches Meerwasser und Wasser, das siebenmal salziger war.
Aus diesen Tests errechneten die Forscher, dass jede Stufe, wenn sie auf einen Quadratmeter vergrößert würde, bis zu 5 Liter Trinkwasser pro Stunde produzieren würde und dass das System mehrere Jahre lang Wasser entsalzen könnte, ohne dass sich Salz ansammelt.
Angesichts dieser verlängerten Lebensdauer und der Tatsache, dass das System völlig passiv ist und keinen Strom zum Betrieb benötigt, schätzt das Team, dass die Gesamtkosten für den Betrieb des Systems niedriger wären als die Kosten für die Produktion von Leitungswasser in den Vereinigten Staaten.
„Wir zeigen, dass dieses Gerät eine lange Lebensdauer erreichen kann“, sagt Zhong. „Damit ist es erstmals möglich, dass durch Sonnenlicht erzeugtes Trinkwasser günstiger ist als Leitungswasser. Dies eröffnet der solaren Entsalzung die Möglichkeit, reale Probleme anzugehen.“
„Dies ist ein sehr innovativer Ansatz, der wichtige Herausforderungen im Bereich der Entsalzung wirksam abmildert“, sagt Guihua Yu, der an der University of Texas in Austin nachhaltige Wasser- und Energiespeichersysteme entwickelt und nicht an der Forschung beteiligt war.
„Das Design ist besonders vorteilhaft für Regionen, die mit stark salzhaltigem Wasser zu kämpfen haben. Durch seinen modularen Aufbau eignet es sich hervorragend für die Wasserproduktion im Haushalt und ermöglicht Skalierbarkeit und Anpassungsfähigkeit an individuelle Bedürfnisse.“
Geschrieben von Jennifer Chu
