Inženjeri i suradnici MIT-a razvili su solarni pogon desalinacija uređaj koji izbjegava probleme začepljenja solju drugih dizajna.
Inženjeri s MIT-a i Kine namjeravaju pretvoriti morsku vodu u vodu za piće s potpuno pasivnim uređajem inspiriranim oceanom i napajanim suncem.
Prototip nagnutog desetostupanjskog sustava desalinizacije nalazi se u rezervoaru "poput čamca". Autor slike: Jintong Gao i Zhenyuan Xu / MIT
U radu koji se pojavljuje u časopisu Džul, tim ocrtava dizajn novog solarnog sustava za desalinizaciju koji uzima slanu vodu i zagrijava je prirodnim sunčevim svjetlom.
Konfiguracija uređaja za desalinizaciju omogućuje da voda cirkulira u vrtložnim vrtlozima, poput mnogo veće "termohaline" cirkulacije oceana. Ova cirkulacija, u kombinaciji sa sunčevom toplinom, isparava vodu, ostavljajući za sobom sol. Rezultirajuća vodena para se tada može kondenzirati i sakupiti kao čista voda za piće.
U međuvremenu, preostala sol nastavlja cirkulirati kroz uređaj i iz njega, umjesto da se nakuplja i začepljuje sustav.
Novi sustav za desalinizaciju ima veću stopu proizvodnje vode i veću stopu odbacivanja soli od svih ostalih koncepata pasivne solarne desalinizacije koji se trenutno testiraju.
Istraživači procjenjuju da bi, ako se sustav poveća na veličinu malog kovčega, mogao proizvoditi oko 4 do 6 litara pitke vode na sat i trajati nekoliko godina prije nego što budu potrebni zamjenski dijelovi. U ovoj mjeri i performansama, sustav bi mogao proizvoditi pitku vodu po stopi i cijeni koja je jeftinija od vode iz slavine.
Testiranje prototipa na otvorenom pod prirodnom sunčevom svjetlošću. Autori slike: Jintong Gao i Zhenyuan Xu / MIT
“Po prvi put, moguće je da voda, proizvedena sunčevom svjetlošću, bude čak jeftinija od vode iz slavine,” kaže Lenan Zhang, istraživač u Laboratoriju za istraživanje uređaja MIT-a.
Tim predviđa da bi povećani uređaj za desalinizaciju mogao pasivno proizvesti dovoljno pitke vode da zadovolji dnevne potrebe male obitelji. Sustav bi također mogao opskrbljivati izvanmrežne, obalne zajednice gdje je morska voda lako dostupna.
Zhangovi koautori studije uključuju studenta MIT-a, Yang Zhonga i Evelyn Wang, Fordovu profesoricu inženjerstva, zajedno s Jintongom Gaoom, Jinfang Youom, Zhanyu Yeom, Ruzhuom Wangom i Zhenyuan Xuom sa šangajskog sveučilišta Jiao Tong u Kini.
Snažna konvekcija
Timov novi sustav za desalinizaciju poboljšava njihov prethodni dizajn — sličan koncept višestrukih slojeva, koji se nazivaju stupnjevima. Svaki stupanj sadržavao je isparivač i kondenzator koji je koristio toplinu sunca za pasivno odvajanje soli od ulazne vode.
Taj dizajn, koji je tim testirao na krovu zgrade MIT-a, učinkovito pretvara sunčevu energiju u isparavanje vode, koja se zatim kondenzira u vodu za piće.
Ali sol koja je ostala brzo se nakupila kao kristali koji su začepili sustav nakon nekoliko dana. U stvarnom okruženju, korisnik bi morao često postavljati stupnjeve, što bi značajno povećalo ukupni trošak sustava.
U daljnjem nastojanju, oni osmislio rješenje sa sličnom slojevitom konfiguracijom, ovaj put s dodanom značajkom koja je pomogla cirkulirati ulaznu vodu, kao i ostatke soli. Iako je ovaj dizajn spriječio taloženje i nakupljanje soli na uređaju, desalinizirao je vodu relativno niskom brzinom.
U posljednjoj iteraciji, tim vjeruje da je došao do dizajna sustava za desalinizaciju koji postiže i visoku stopu proizvodnje vode i visoko odbacivanje soli, što znači da sustav može brzo i pouzdano proizvoditi pitku vodu kroz dulje razdoblje.
Ključ njihovog novog dizajna je kombinacija njihova dva prethodna koncepta: višestupanjskog sustava isparivača i kondenzatora, koji je također konfiguriran za povećanje cirkulacije vode — i soli — unutar svakog stupnja.
"Sada predstavljamo još snažniju konvekciju, koja je slična onoj koju obično vidimo u oceanu, na kilometrima dugim skalama", kaže Xu.
Male cirkulacije stvorene u novom sustavu tima slične su "termohalinoj" konvekciji u oceanu — fenomenu koji pokreće kretanje vode diljem svijeta, na temelju razlika u temperaturi mora ("termo") i salinitetu ("halin" ).
“Kad je morska voda izložena zraku, sunčeva svjetlost tjera vodu da isparava. Nakon što voda napusti površinu, sol ostaje. I što je veća koncentracija soli, tekućina je gušća, a ova teža voda želi teći prema dolje,” objašnjava Zhang.
"Imitiranjem ovog kilometarskog fenomena u maloj kutiji, možemo iskoristiti ovu značajku za odbacivanje soli."
Tapkanje
Srce novog dizajna tima je jedna pozornica koja nalikuje tankoj kutiji, prekrivena tamnim materijalom koji učinkovito upija toplinu sunca. Kutija je iznutra podijeljena na gornji i donji dio.
Voda može teći kroz gornju polovicu, gdje je strop obložen slojem isparivača koji koristi sunčevu toplinu za zagrijavanje i isparavanje vode u izravnom kontaktu. Vodena para se zatim usmjerava u donju polovicu kutije, gdje kondenzacijski sloj zrakom hladi paru u tekućinu za piće bez soli.
Istraživači su cijelu kutiju postavili na nagib unutar veće, prazne posude, zatim su spojili cijev od gornje polovice kutije prema dolje kroz dno posude i plutali posudu u slanoj vodi.
U ovoj konfiguraciji, voda se može prirodno gurati kroz cijev i u kutiju, gdje nagib kutije, u kombinaciji s toplinskom energijom sunca, potiče vodu da se vrtloži dok teče kroz nju. Mali vrtlozi pomažu da voda dođe u kontakt s gornjim slojem koji isparava, a istodobno održavaju cirkuliranje soli, umjesto taloženja i začepljenja.
Tim je napravio nekoliko prototipova ovog uređaja za desalinizaciju, s jednim, tri i 10 stupnjeva, i testirao njihovu učinkovitost u vodi različite slanosti, uključujući prirodnu morsku vodu i vodu koja je bila sedam puta slanija.
Iz ovih testova istraživači su izračunali da bi, ako bi se svaki stupanj povećao na kvadratni metar, proizveo do 5 litara pitke vode na sat, te da bi sustav mogao desalinizirati vodu bez nakupljanja soli nekoliko godina.
S obzirom na produljeni životni vijek i činjenicu da je sustav potpuno pasivan, ne zahtijeva električnu energiju za rad, tim procjenjuje da bi ukupni trošak rada sustava bio jeftiniji od onoga što košta proizvodnja vode iz slavine u Sjedinjenim Državama.
"Pokazujemo da je ovaj uređaj sposoban postići dug životni vijek", kaže Zhong. “To znači da je po prvi put moguće da pitka voda proizvedena sunčevom svjetlošću bude jeftinija od vode iz slavine. To otvara mogućnost solarne desalinizacije za rješavanje problema u stvarnom svijetu.”
"Ovo je vrlo inovativan pristup koji učinkovito ublažava ključne izazove u području desalinizacije", kaže Guihua Yu, koji razvija održive sustave za pohranu vode i energije na Sveučilištu Texas u Austinu, a nije bio uključen u istraživanje.
“Dizajn je posebno koristan za regije koje se bore s vodom visokog saliniteta. Njegov modularni dizajn čini ga vrlo prikladnim za proizvodnju vode u kućanstvima, omogućujući skalabilnost i prilagodljivost kako bi se zadovoljile individualne potrebe.”
Napisala Jennifer Chu
