Az MIT mérnökei és munkatársai napenergiával működő gépet fejlesztettek ki sótalanítás olyan eszköz, amely elkerüli a más kivitelek sóeltömődését.
Az MIT és a kínai mérnökök célja, hogy a tengervizet ivóvízzé alakítsák egy teljesen passzív eszközzel, amelyet az óceán ihletett és a nap táplál.
A megdöntött tízlépcsős sótalanító rendszer prototípusa egy „csónakszerű” tározóban van elhelyezve. A kép jóváírása: Jintong Gao és Zhenyuan Xu / MIT
A folyóiratban megjelenő cikkben joule, a csapat felvázolja egy új szoláris sótalanító rendszer tervét, amely sós vizet fogad be és természetes napfénnyel melegíti fel.
A sótalanító berendezés konfigurációja lehetővé teszi, hogy a víz örvényekben keringjen, mint az óceán sokkal nagyobb „termohalin” keringése. Ez a keringés a nap melegével kombinálva elpárologtatja a vizet, és sót hagy maga után. A keletkező vízgőz ezután kondenzálható és tiszta, iható vízként összegyűjthető.
Ezalatt a maradék só tovább kering a készüléken keresztül és ki, ahelyett, hogy felhalmozná és eltömítené a rendszert.
Az új sótalanító rendszernek magasabb a víztermelési aránya és magasabb a sókibocsátási aránya, mint az összes többi jelenleg tesztelt passzív szoláris sótalanítási koncepció.
A kutatók becslése szerint, ha a rendszert egy kis bőrönd méretére méretezzük, óránként körülbelül 4-6 liter ivóvizet termelhet, és több évig is kitarthat, mielőtt cserealkatrészekre lenne szükség. Ilyen léptékű és teljesítmény mellett a rendszer a csapvíznél olcsóbb ütemben és áron tudna ivóvizet előállítani.
A prototípus kültéri tesztje természetes napfényben. A képek forrása: Jintong Gao és Zhenyuan Xu / MIT
„Először lehetséges, hogy a napfény által termelt víz még olcsóbb is legyen, mint a csapvíz” – mondja Lenan Zhang, az MIT Device Research Laboratory kutatója.
A csapat elképzelése szerint egy nagyobb méretarányú sótalanító berendezés passzívan elegendő ivóvizet tud előállítani egy kis család napi szükségleteinek kielégítésére. A rendszer hálózaton kívüli, part menti közösségeket is elláthatna, ahol a tengervíz könnyen hozzáférhető.
Zhang tanulmányának társszerzői közé tartozik az MIT végzős hallgatója, Yang Zhong és Evelyn Wang, a Ford mérnöki professzora, valamint Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang és Zhenyuan Xu a kínai Shanghai Jiao Tong Egyetemről.
Erőteljes konvekció
A csapat új sótalanító rendszere továbbfejleszti a saját teljesítményüket korábbi tervezés — a több réteg hasonló koncepciója, úgynevezett szakaszok. Mindegyik szakasz tartalmazott egy párologtatót és egy kondenzátort, amely a nap hőjét használta fel a só passzív elválasztására a bejövő víztől.
Ez a konstrukció, amelyet a csapat egy MIT-épület tetején tesztelt, hatékonyan alakította át a napenergiát a víz elpárologtatására, amelyet aztán ivóvízzé kondenzáltak.
De a megmaradt só gyorsan felhalmozódott kristályokként, amelyek néhány nap múlva eltömítették a rendszert. Valós környezetben a felhasználónak gyakran kell szakaszokat elhelyeznie, ami jelentősen megnövelné a rendszer összköltségét.
A nyomon követés során ők megoldást talált ki hasonló réteges konfigurációval, ezúttal egy hozzáadott funkcióval, amely segített a bejövő víz, valamint a maradék só keringtetésében. Míg ez a kialakítás megakadályozta a só leülepedését és felhalmozódását a készüléken, viszonylag kis sebességgel sótalanította a vizet.
A legfrissebb iteráció során a csapat úgy véli, hogy olyan sótalanító rendszert terveztek, amely egyszerre éri el a magas víztermelési arányt és a magas sókibocsátást, ami azt jelenti, hogy a rendszer gyorsan és megbízhatóan képes ivóvíz előállítására hosszabb ideig.
Új dizájnjuk kulcsa két korábbi koncepciójuk kombinációja: egy többlépcsős elpárologtató- és kondenzátor-rendszer, amely úgy van beállítva, hogy fokozza a víz – és a só – keringését az egyes szakaszokon belül.
„Most bevezetünk egy még erősebb konvekciót, amely hasonló ahhoz, amit általában az óceánban látunk, kilométeres léptékben” – mondja Xu.
A csapat új rendszerében generált kis keringések hasonlóak az óceánban zajló „termohalin” konvekcióhoz – egy olyan jelenséghez, amely a víz mozgását a világ körül, a tenger hőmérsékletének („termo”) és sótartalmának („halin”) való eltérésén alapul. ).
„Ha a tengervizet levegő éri, a napfény hatására a víz elpárolog. Amint a víz elhagyja a felszínt, só marad. És minél magasabb a sókoncentráció, annál sűrűbb a folyadék, és ez a nehezebb víz lefelé akar folyni” – magyarázza Zhang.
„Ha kis dobozban utánozzuk ezt a kilométer széles jelenséget, kihasználhatjuk ezt a funkciót a só elutasítására.”
Kicsapolás
A csapat új dizájnjának szíve egy vékony dobozra emlékeztető, sötét anyagból készült, a nap melegét hatékonyan elnyelő, egyetlen színpad. Belül a doboz felső és alsó részre van osztva.
A víz átfolyhat a felső felén, ahol a mennyezet párologtató réteggel van bélelve, amely a nap melegét használja fel a közvetlen érintkezésbe kerülő víz felmelegítésére és elpárologtatására. A vízgőz ezután a doboz alsó felébe kerül, ahol egy kondenzációs réteg levegővel lehűti a gőzt sómentes, iható folyadékká.
A kutatók az egész dobozt megdöntötték egy nagyobb, üres edényben, majd egy csövet csatlakoztattak a doboz felső felétől lefelé az edény alján, és lebegtették az edényt a sós vízben.
Ebben a konfigurációban a víz természetesen felnyomulhat a csövön keresztül a dobozba, ahol a doboz dőlése a nap hőenergiájával kombinálva örvénylésre készteti a vizet, miközben átfolyik. A kis örvények segítenek abban, hogy a víz érintkezésbe kerüljön a felső elpárologtató réteggel, miközben a só keringést biztosít, nem pedig leülepednek és eltömődnek.
A csapat ennek a sótalanító berendezésnek több prototípusát építette meg, egy, három és 10 fokozattal, és tesztelték teljesítményüket változó sótartalmú vízben, beleértve a természetes tengervizet és a hétszer sósabb vizet is.
Ezekből a tesztekből a kutatók kiszámolták, hogy ha minden fokozatot négyzetméterre méreteznének, óránként akár 5 liter ivóvizet is termelnének, és a rendszer akár több évig is képes sótalanítani a vizet anélkül, hogy só halmozódna fel.
Tekintettel erre a meghosszabbított élettartamra, és arra a tényre, hogy a rendszer teljesen passzív, és nem igényel áramot, a csapat becslése szerint a rendszer üzemeltetésének összköltsége olcsóbb lenne, mint amennyibe a csapvíz előállítása kerül az Egyesült Államokban.
„Megmutatjuk, hogy ez az eszköz képes hosszú élettartam elérésére” – mondja Zhong. „Ez azt jelenti, hogy most először lehetséges, hogy a napfény által termelt ivóvíz olcsóbb legyen, mint a csapvíz. Ez megnyitja a lehetőséget a szoláris sótalanítás számára a valós problémák megoldására.”
„Ez egy nagyon innovatív megközelítés, amely hatékonyan mérsékli a sótalanítás terén felmerülő kulcsfontosságú kihívásokat” – mondja Guihua Yu, aki fenntartható víz- és energiatároló rendszereket fejleszt az austini Texasi Egyetemen, és nem vett részt a kutatásban.
„A kialakítás különösen előnyös a magas sótartalmú vízzel küzdő régiókban. Moduláris felépítése kiválóan alkalmas háztartási víztermelésre, lehetővé téve a méretezhetőséget és az egyéni igényekhez való alkalmazkodást.”
Írta: Jennifer Chu
