MIT のエンジニアと共同研究者は、太陽光発電の 淡水化 他の設計の塩詰まりの問題を回避するデバイス。
マサチューセッツ工科大学と中国のエンジニアは、海からインスピレーションを得て太陽から電力を供給される完全に受動的な装置を使って、海水を飲料水に変えることを目指しています。
雑誌に掲載された論文の中で ジュール、 研究チームは、塩水を取り入れて自然太陽光で加熱する新しい太陽熱淡水化システムの設計の概要を説明しています。
淡水化装置の構成により、海のはるかに大きな「熱塩」循環のように、水が渦巻きの中で循環することが可能になります。 この循環と太陽の熱が組み合わさって水が蒸発し、塩分が残ります。 結果として生じる水蒸気は凝縮され、純粋な飲料水として収集されます。
その間、残った塩は蓄積してシステムを詰まらせることなく、装置の中を循環し続けます。
新しい淡水化システムは、現在テストされている他のすべての受動型太陽熱淡水化コンセプトよりも高い水生成率と高い塩除去率を備えています。
研究者らは、このシステムを小さなスーツケースのサイズまで拡大した場合、4時間あたり約6～XNUMXリットルの飲料水を生成し、交換部品が必要になるまで数年間持続できると推定している。 この規模と性能であれば、このシステムは水道水よりも安い料金と価格で飲料水を生産できます。
自然光の下でプロトタイプを屋外テスト。 画像クレジット: Jintong Gao および Zhenyuan Xu / MIT
マサチューセッツ工科大学デバイス研究所の研究員レナン・チャン氏は、「太陽光によって生成された水が水道水よりもさらに安くなる可能性が初めて可能になった」と語る。
研究チームは、大規模な脱塩装置を使えば、小家族の毎日の必要量を満たすのに十分な飲料水を受動的に生成できると想定している。 このシステムは、海水が簡単に利用できるオフグリッドの沿岸地域に電力を供給することもできます。
Zhang氏の研究の共著者には、MIT大学院生Yang Zhong氏とフォード工学教授Evelyn Wang氏、中国の上海交通大学のJintong Gao氏、Jinfang You氏、Zhanyu Ye氏、Ruzhu Wang氏、Zhenyuan Xu氏が含まれる。
強力な対流
チームの新しい淡水化システムは、 以前のデザイン — ステージと呼ばれる、複数のレイヤーの同様の概念。 各段階には、太陽からの熱を利用して入ってくる水から塩を受動的に分離する蒸発器と凝縮器が含まれていました。
チームがMITビルの屋上でテストしたその設計は、太陽エネルギーを効率的に変換して水を蒸発させ、その後、飲料水に凝縮することができた。
しかし、残った塩はすぐに結晶として蓄積し、数日後にシステムを詰まらせました。 実際の設定では、ユーザーはステージを頻繁に配置する必要があり、システム全体のコストが大幅に増加します。
フォローアップの取り組みとして、彼らは、 解決策を考案した 同様の層状構成で、今回は入ってくる水と残りの塩を循環させる機能が追加されました。 この設計により、装置上に塩が沈殿して蓄積するのは防止されましたが、水の脱塩率は比較的低かったです。
最新の反復において、チームは、高い水生成率と高い塩除去率の両方を達成する淡水化システム設計に到達したと信じています。これは、システムが長期間にわたって迅速かつ確実に飲料水を生成できることを意味します。
新しい設計の鍵は、これまでの XNUMX つのコンセプトを組み合わせたものです。蒸発器と凝縮器の多段システムであり、各段内で水と塩の循環を促進するように構成されています。
「我々は今、海で通常見られるものと同様の、さらに強力な対流を長さ数キロメートルのスケールで導入しています」とシュー氏は言う。
チームの新しいシステムで生成される小さな循環は、海の「熱塩」対流に似ています。この対流は、海水温 (「熱」) と塩分 (「塩分」) の違いに基づいて、世界中の水の移動を引き起こす現象です。 ）。
「海水が空気に触れると、太陽光によって水が蒸発します。 水が表面から離れると塩分が残ります。 そして、塩分濃度が高くなるほど液体の密度は高くなり、この重い水は下に流れようとします」とチャン氏は説明する。
「この数キロメートルにわたる現象を小さな箱の中で模倣することで、この特徴を利用して塩分を除去することができます。」
タップアウト
チームの新しいデザインの中心は、薄い箱に似た単一のステージで、その上には太陽の熱を効率的に吸収する暗い色の素材が付いています。 箱の中は上下に分かれています。
水は上半分を通って流れることができ、天井には太陽の熱を利用して直接接触した水を温めて蒸発させる蒸発層が並んでいます。 次に、水蒸気はボックスの下半分に注ぎ込まれ、そこで凝縮層によって蒸気が空冷され、塩分を含まない飲用可能な液体になります。
研究者らは、大きな空の容器内に箱全体を傾けて設置し、箱の上半分から容器の底までチューブを取り付け、容器を塩水に浮かべた。
この構成では、水はチューブを通って箱の中に自然に押し上げられ、箱の傾きと太陽からの熱エネルギーが組み合わさって、水が流れるときに水の渦を引き起こします。 小さな渦は、沈殿して詰まるのではなく、塩の循環を維持しながら、水を上部の蒸発層と接触させるのに役立ちます。
研究チームは、10 段、XNUMX 段、XNUMX 段のこの脱塩装置のプロトタイプをいくつか作成し、自然の海水や XNUMX 倍塩分濃度の高い水など、さまざまな塩分濃度の水でその性能をテストしました。
これらのテストから、研究者らは、各ステージを 5 平方メートルにスケールアップした場合、XNUMX 時間あたり最大 XNUMX リットルの飲料水を生成し、このシステムは数年間塩分を蓄積することなく水を淡水化できると計算しました。
この長い耐用年数と、システムが完全に受動的であり、稼働に電気を必要としないという事実を考慮すると、研究チームは、システムを稼働させるための全体的なコストは、米国で水道水を製造するのにかかるコストよりも安くなると推定しています。
「私たちは、このデバイスが長寿命を達成できることを示しました」と Zhong 氏は言います。 「つまり、太陽光によって生成された飲料水が水道水よりも安くなる可能性が初めて可能になったということです。 これにより、現実世界の問題に対処する太陽光淡水化の可能性が開かれます。」
「これは、淡水化の分野における重要な課題を効果的に軽減する非常に革新的なアプローチです」と、テキサス大学オースティン校で持続可能な水とエネルギー貯蔵システムを開発しているグイフア・ユー氏は言うが、この研究には関与していない。
「この設計は、高塩分水に悩まされている地域にとって特に有益です。 そのモジュール設計により、家庭用水の生産に非常に適しており、個々のニーズを満たす拡張性と適応性が可能になります。」
ジェニファー・チュー著
出典： マサチューセッツ工科大学
