MIT-ingenieurs en -medewerkers ontwikkelden een op zonne-energie werkend systeem ontzilting apparaat dat zoutverstoppingsproblemen van andere ontwerpen vermijdt.
Ingenieurs bij MIT en in China willen zeewater omzetten in drinkwater met een volledig passief apparaat geïnspireerd op de oceaan en aangedreven door de zon.
In een artikel dat in het tijdschrift verschijnt joule, Het team schetst het ontwerp voor een nieuw ontziltingssysteem op zonne-energie dat zout water opneemt en verwarmt met natuurlijk zonlicht.
De configuratie van het ontziltingsapparaat zorgt ervoor dat water in wervelende wervels kan circuleren, zoals de veel grotere 'thermohaliene' circulatie van de oceaan. Deze circulatie, gecombineerd met de hitte van de zon, verdampt water en laat zout achter. De resulterende waterdamp kan vervolgens worden gecondenseerd en opgevangen als zuiver drinkbaar water.
In de tussentijd blijft het overgebleven zout door en uit het apparaat circuleren, in plaats van dat het zich ophoopt en het systeem verstopt.
Het nieuwe ontziltingssysteem heeft een hogere waterproductie en een hogere zoutafstoting dan alle andere passieve zonne-ontziltingsconcepten die momenteel worden getest.
De onderzoekers schatten dat als het systeem wordt opgeschaald tot het formaat van een kleine koffer, het ongeveer 4 tot 6 liter drinkwater per uur kan produceren en meerdere jaren mee kan gaan voordat er vervangende onderdelen nodig zijn. Op deze schaal en met deze prestaties zou het systeem drinkwater kunnen produceren tegen een snelheid en prijs die goedkoper is dan leidingwater.
Buitentest van het prototype onder natuurlijk zonlicht. Beeldcredits: Jintong Gao en Zhenyuan Xu / MIT
“Voor het eerst is het mogelijk dat water, geproduceerd door zonlicht, zelfs goedkoper is dan kraanwater”, zegt Lenan Zhang, onderzoeker bij het Device Research Laboratory van MIT.
Het team stelt zich voor dat een opgeschaald ontziltingsapparaat passief genoeg drinkwater zou kunnen produceren om aan de dagelijkse behoeften van een klein gezin te voldoen. Het systeem zou ook off-grid kustgemeenschappen kunnen voorzien waar zeewater gemakkelijk toegankelijk is.
Tot de co-auteurs van de studie van Zhang behoren MIT-student Yang Zhong en Evelyn Wang, de Ford Professor of Engineering, samen met Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang en Zhenyuan Xu van de Shanghai Jiao Tong Universiteit in China.
Een krachtige convectie
Het nieuwe ontziltingssysteem van het team verbetert hun prestaties vorig ontwerp – een soortgelijk concept van meerdere lagen, fasen genoemd. Elke trap bevatte een verdamper en een condensor die de warmte van de zon gebruikten om zout passief van het binnenkomende water te scheiden.
Dat ontwerp, dat het team testte op het dak van een MIT-gebouw, zette de energie van de zon efficiënt om in het verdampen van water, dat vervolgens werd gecondenseerd in drinkbaar water.
Maar het zout dat overbleef, stapelde zich snel op als kristallen, waardoor het systeem na een paar dagen verstopt raakte. In een echte omgeving zou een gebruiker regelmatig podia moeten plaatsen, wat de totale kosten van het systeem aanzienlijk zou verhogen.
In een vervolginspanning hebben ze een oplossing bedacht met een vergelijkbare gelaagde configuratie, dit keer met een extra functie die hielp om het binnenkomende water en eventueel overgebleven zout te laten circuleren. Hoewel dit ontwerp verhinderde dat zout zich op het apparaat bezinkte en zich ophoopte, werd het water in relatief lage mate ontzilt.
In de laatste versie is het team van mening dat het is beland op een ontwerp van een ontziltingssysteem dat zowel een hoge waterproductie als een hoge zoutafwijzing bereikt, wat betekent dat het systeem snel en betrouwbaar drinkwater kan produceren voor een langere periode.
De sleutel tot hun nieuwe ontwerp is een combinatie van hun twee eerdere concepten: een meertrapssysteem van verdampers en condensors, dat ook is geconfigureerd om de circulatie van water – en zout – binnen elke fase te stimuleren.
“We introduceren nu een nog krachtigere convectie, die vergelijkbaar is met wat we doorgaans in de oceaan zien, op kilometerslange schaal”, zegt Xu.
De kleine circulaties die in het nieuwe systeem van het team worden gegenereerd, zijn vergelijkbaar met de ‘thermohaliene’ convectie in de oceaan – een fenomeen dat de beweging van water over de hele wereld aandrijft, gebaseerd op verschillen in zeetemperatuur (‘thermo’) en zoutgehalte (‘haline’). ).
“Wanneer zeewater wordt blootgesteld aan lucht, zorgt zonlicht ervoor dat water verdampt. Zodra het water het oppervlak verlaat, blijft het zout achter. En hoe hoger de zoutconcentratie, hoe dichter de vloeistof, en dit zwaardere water wil naar beneden stromen”, legt Zhang uit.
"Door dit kilometerbrede fenomeen in kleine dozen na te bootsen, kunnen we van deze functie profiteren om zout af te wijzen."
Uittikken
De kern van het nieuwe ontwerp van het team is een enkele trap die lijkt op een dunne doos, met daarop een donker materiaal dat de hitte van de zon efficiënt absorbeert. Binnenin is de doos verdeeld in een boven- en ondergedeelte.
Water kan door de bovenste helft stromen, waar het plafond is bekleed met een verdampingslaag die de warmte van de zon gebruikt om water dat in direct contact komt op te warmen en te verdampen. De waterdamp wordt vervolgens naar de onderste helft van de doos geleid, waar een condenserende laag de damp met lucht afkoelt tot een zoutvrije, drinkbare vloeistof.
De onderzoekers plaatsten de hele doos schuin in een groter, leeg vat, bevestigden vervolgens een buis vanaf de bovenste helft van de doos naar beneden door de bodem van het vat en lieten het vat in zout water drijven.
In deze configuratie kan water op natuurlijke wijze door de buis de doos in duwen, waar de kanteling van de doos, gecombineerd met de thermische energie van de zon, ervoor zorgt dat het water wervelt terwijl het er doorheen stroomt. De kleine wervelingen helpen het water in contact te brengen met de bovenste verdampingslaag, terwijl het zout blijft circuleren, in plaats van dat het bezinkt en verstopt raakt.
Het team bouwde verschillende prototypes van dit ontziltingsapparaat, met één, drie en tien fasen, en testte hun prestaties in water met een variërend zoutgehalte, inclusief natuurlijk zeewater en water dat zeven keer zouter was.
Uit deze tests berekenden de onderzoekers dat als elke fase zou worden opgeschaald naar een vierkante meter, deze tot 5 liter drinkwater per uur zou produceren, en dat het systeem jarenlang water zou kunnen ontzilten zonder zout op te hopen.
Gezien deze langere levensduur en het feit dat het systeem volledig passief is en geen elektriciteit nodig heeft om te werken, schat het team dat de totale kosten voor het runnen van het systeem goedkoper zouden zijn dan wat het kost om kraanwater in de Verenigde Staten te produceren.
“We laten zien dat dit apparaat een lange levensduur kan bereiken”, zegt Zhong. “Dat betekent dat het voor het eerst mogelijk is dat drinkwater geproduceerd door zonlicht goedkoper is dan leidingwater. Dit opent de mogelijkheid voor ontzilting door zonne-energie om echte problemen aan te pakken.”
“Dit is een zeer innovatieve aanpak die de belangrijkste uitdagingen op het gebied van ontzilting effectief verzacht”, zegt Guihua Yu, die duurzame water- en energieopslagsystemen ontwikkelt aan de Universiteit van Texas in Austin, en niet bij het onderzoek betrokken was.
“Het ontwerp is vooral gunstig voor regio’s die kampen met water met een hoog zoutgehalte. Het modulaire ontwerp maakt het zeer geschikt voor de productie van huishoudelijk water, waardoor schaalbaarheid en aanpasbaarheid mogelijk zijn om aan individuele behoeften te voldoen.”
Geschreven door Jennifer Chu
