MIT-ingeniører og samarbeidspartnere utviklet en solcelledrevet avsalting enhet som unngår salt-tilstopping problemer av andre design.
Ingeniører ved MIT og i Kina har som mål å gjøre sjøvann til drikkevann med en helt passiv enhet inspirert av havet og drevet av solen.
En skråstilt ti-trinns avsaltingssystemprototype er plassert i et "båtlignende" reservoar. Bildekreditt: Jintong Gao og Zhenyuan Xu / MIT
I en artikkel som vises i journalen Joule, teamet skisserer designet for et nytt solavsaltningssystem som tar inn saltvann og varmer det opp med naturlig sollys.
Avsaltningsenhetens konfigurasjon lar vann sirkulere i virvlende virvler, som havets mye større «termohaline»-sirkulasjon. Denne sirkulasjonen, kombinert med solens varme, fordamper vann og etterlater salt. Den resulterende vanndampen kan deretter kondenseres og samles opp som rent drikkevann.
I mellomtiden fortsetter saltrestene å sirkulere gjennom og ut av enheten, i stedet for å samle seg og tette systemet.
Det nye avsaltingssystemet har en høyere vannproduksjonshastighet og en høyere saltavvisningsrate enn alle andre passive solavsaltingskonsepter som for tiden testes.
Forskerne anslår at hvis systemet skaleres opp til størrelsen på en liten koffert, kan det produsere rundt 4 til 6 liter drikkevann i timen og vare i flere år før det kreves reservedeler. I denne skalaen og ytelsen kan systemet produsere drikkevann til en hastighet og pris som er billigere enn vann fra springen.
Utendørs test av prototypen under naturlig sollys. Bildekreditt: Jintong Gao og Zhenyuan Xu / MIT
"For første gang er det mulig for vann, produsert av sollys, å være enda billigere enn vann fra springen," sier Lenan Zhang, en forsker ved MITs Device Research Laboratory.
Teamet ser for seg at en oppskalert avsaltningsenhet passivt kan produsere nok drikkevann til å møte de daglige behovene til en liten familie. Systemet kan også forsyne off-grid, kystsamfunn der sjøvann er lett tilgjengelig.
Zhangs studiemedforfattere inkluderer MIT-graduate student Yang Zhong og Evelyn Wang, Ford Professor of Engineering, sammen med Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang og Zhenyuan Xu fra Shanghai Jiao Tong University i Kina.
En kraftig konveksjon
Teamets nye avsaltingssystem forbedrer deres tidligere design - et lignende konsept med flere lag, kalt stadier. Hvert trinn inneholdt en fordamper og en kondensator som brukte varme fra solen for å passivt skille salt fra innkommende vann.
Designet, som teamet testet på taket av en MIT-bygning, konverterte effektivt solens energi til å fordampe vann, som deretter ble kondensert til drikkevann.
Men saltet som ble til overs akkumulerte seg raskt som krystaller som tettet systemet etter noen dager. I en reell setting vil en bruker måtte plassere scener med jevne mellomrom, noe som vil øke systemets totale kostnad betydelig.
I et oppfølgingsarbeid har de laget en løsning med en lignende lagdelt konfigurasjon, denne gangen med en ekstra funksjon som bidro til å sirkulere det innkommende vannet så vel som eventuelle rester av salt. Selv om denne utformingen forhindret salt i å sette seg og samle seg på enheten, avsaltet den vann med en relativt lav hastighet.
I den siste iterasjonen mener teamet at de har landet på et avsaltingssystemdesign som oppnår både høy vannproduksjonshastighet og høy saltavvisning, noe som betyr at systemet raskt og pålitelig kan produsere drikkevann i en lengre periode.
Nøkkelen til deres nye design er en kombinasjon av deres to tidligere konsepter: et flertrinnssystem av fordampere og kondensatorer, som også er konfigurert for å øke sirkulasjonen av vann - og salt - i hvert trinn.
"Vi introduserer nå en enda kraftigere konveksjon, som ligner på det vi vanligvis ser i havet, på kilometerlange skalaer," sier Xu.
De små sirkulasjonene som genereres i teamets nye system ligner på "termohaline"-konveksjonen i havet - et fenomen som driver bevegelsen av vann rundt om i verden, basert på forskjeller i havtemperatur ("termo") og saltholdighet ("halin" ).
"Når sjøvann utsettes for luft, driver sollys vannet til å fordampe. Når vannet forlater overflaten, blir salt igjen. Og jo høyere saltkonsentrasjon, desto tettere blir væsken, og dette tyngre vannet vil strømme nedover, forklarer Zhang.
"Ved å etterligne dette kilometer-brede fenomenet i en liten boks, kan vi dra nytte av denne funksjonen til å avvise salt."
Tapper ut
Hjertet i teamets nye design er en enkelt scene som ligner en tynn boks, toppet med et mørkt materiale som effektivt absorberer varmen fra solen. Innvendig er boksen delt i en topp- og bunnseksjon.
Vann kan strømme gjennom den øverste halvdelen, hvor taket er foret med et fordamperlag som bruker solens varme til å varme opp og fordampe vann i direkte kontakt. Vanndampen ledes deretter til den nederste halvdelen av boksen, hvor et kondenserende lag luftkjøler dampen til saltfri, drikkbar væske.
Forskerne satte hele boksen på skrå i et større, tomt fartøy, festet deretter et rør fra den øvre halvdelen av boksen og ned gjennom bunnen av fartøyet, og fløt fartøyet i saltvann.
I denne konfigurasjonen kan vann naturlig presse opp gjennom røret og inn i boksen, der vippen til boksen, kombinert med den termiske energien fra solen, får vannet til å virvle når det strømmer gjennom. De små virvlene hjelper til med å bringe vann i kontakt med det øvre fordampningslaget mens de holder salt i sirkulasjon, i stedet for å sette seg og tette seg.
Teamet bygde flere prototyper av denne avsaltingsenheten, med ett, tre og 10 trinn, og testet ytelsen deres i vann med varierende saltholdighet, inkludert naturlig sjøvann og vann som var syv ganger saltere.
Fra disse testene regnet forskerne ut at dersom hvert trinn ble skalert opp til en kvadratmeter, ville det produsere opptil 5 liter drikkevann i timen, og at systemet kunne avsalte vann uten å samle opp salt i flere år.
Gitt denne forlengede levetiden, og det faktum at systemet er helt passivt og ikke krever strøm for å kjøre, anslår teamet at den totale kostnaden for å drive systemet vil være billigere enn hva det koster å produsere vann fra springen i USA.
"Vi viser at denne enheten er i stand til å oppnå lang levetid," sier Zhong. «Det betyr at det for første gang er mulig for drikkevann produsert av sollys å være billigere enn vann fra springen. Dette åpner muligheten for solavsalting for å løse problemer i den virkelige verden.»
"Dette er en veldig innovativ tilnærming som effektivt reduserer nøkkelutfordringer innen avsalting," sier Guihua Yu, som utvikler bærekraftige vann- og energilagringssystemer ved University of Texas i Austin, og var ikke involvert i forskningen.
"Designet er spesielt gunstig for regioner som sliter med vann med høy saltholdighet. Dens modulære design gjør den svært egnet for husholdningsvannproduksjon, noe som muliggjør skalerbarhet og tilpasningsevne for å møte individuelle behov."
Skrevet av Jennifer Chu
