Инженеры и сотрудники MIT разработали устройство, работающее на солнечной энергии. опреснение устройство, которое позволяет избежать проблем с засорением солью, присущих другим конструкциям.
Инженеры Массачусетского технологического института и Китая стремятся превратить морскую воду в питьевую с помощью полностью пассивного устройства, вдохновленного океаном и работающего от солнца.
Прототип наклонной десятиступенчатой системы опреснения расположен в резервуаре, напоминающем лодку. Изображение предоставлено: Цзиньтун Гао и Чжэньюань Сюй / Массачусетский технологический институт
В статье, опубликованной в журнале Джоуль, команда обрисовывает проект новой солнечной системы опреснения, которая принимает соленую воду и нагревает ее естественным солнечным светом.
Конфигурация опреснительного устройства позволяет воде циркулировать в закрученных водоворотах, подобно гораздо более крупной «термогалинной» циркуляции океана. Эта циркуляция в сочетании с солнечным теплом испаряет воду, оставляя после себя соль. Полученный водяной пар затем можно конденсировать и собирать в виде чистой питьевой воды.
Тем временем остатки соли продолжают циркулировать по устройству и выходить из него, а не накапливаются и не засоряют систему.
Новая система опреснения имеет более высокий уровень производства воды и более высокий уровень удаления соли, чем все другие концепции пассивного солнечного опреснения, которые в настоящее время тестируются.
По оценкам исследователей, если масштабировать систему до размеров небольшого чемодана, она сможет производить от 4 до 6 литров питьевой воды в час и прослужит несколько лет, прежде чем потребуются запасные части. При таком масштабе и производительности система могла бы производить питьевую воду по цене и по цене, которая дешевле, чем водопроводная вода.
Испытание прототипа на открытом воздухе при естественном солнечном свете. Изображение предоставлено: Цзиньтун Гао и Чжэньюань Сюй / Массачусетский технологический институт
«Впервые вода, производимая солнечным светом, может быть даже дешевле, чем водопроводная вода», — говорит Ленан Чжан, научный сотрудник Лаборатории исследования устройств Массачусетского технологического института.
Команда предполагает, что увеличенное в масштабе устройство для опреснения может пассивно производить достаточно питьевой воды, чтобы удовлетворить ежедневные потребности небольшой семьи. Система может также снабжать автономные прибрежные поселения, где морская вода легко доступна.
В число соавторов исследования Чжана входят аспирант Массачусетского технологического института Ян Чжун и Эвелин Ван, профессор инженерного дела Форда, а также Цзиньтун Гао, Цзиньфан Ю, Чжаньюй Е, Ружу Ван и Чжэньюань Сюй из Шанхайского университета Цзяо Тонг в Китае.
Мощная конвекция
Новая система опреснения, разработанная командой, улучшает их предыдущий дизайн — аналогичная концепция нескольких слоев, называемых этапами. Каждая ступень содержала испаритель и конденсатор, которые использовали тепло солнца для пассивного отделения соли от поступающей воды.
Эта конструкция, которую команда протестировала на крыше здания Массачусетского технологического института, эффективно преобразовывала солнечную энергию для испарения воды, которая затем конденсировалась в питьевую воду.
Но оставшаяся соль быстро накапливалась в виде кристаллов, которые через несколько дней засоряли систему. В реальных условиях пользователю придется часто размещать этапы, что значительно увеличит общую стоимость системы.
В ходе последующих усилий они придумал решение с аналогичной многослойной конфигурацией, на этот раз с дополнительной функцией, которая помогала циркулировать поступающей воде, а также остаткам соли. Хотя такая конструкция не позволяла соли оседать и накапливаться на устройстве, она опресняла воду с относительно низкой скоростью.
Команда полагает, что в последней итерации ей удалось разработать систему опреснения, которая обеспечивает как высокую скорость производства воды, так и высокое удаление солей, а это означает, что система может быстро и надежно производить питьевую воду в течение длительного периода.
Ключом к их новому дизайну является комбинация двух предыдущих концепций: многоступенчатой системы испарителей и конденсаторов, которая также настроена на усиление циркуляции воды и соли внутри каждой ступени.
«Теперь мы представляем еще более мощную конвекцию, похожую на ту, которую мы обычно видим в океане, на километровых масштабах», — говорит Сюй.
Небольшие циркуляции, создаваемые новой системой команды, аналогичны «термогалинной» конвекции в океане — явлению, которое управляет движением воды по всему миру, основанное на различиях в температуре моря («термо») и солености («халинная» конвекция). ).
«Когда морская вода подвергается воздействию воздуха, солнечный свет заставляет воду испаряться. Когда вода уходит с поверхности, остается соль. И чем выше концентрация соли, тем плотнее жидкость, и эта более тяжелая вода хочет течь вниз», — объясняет Чжан.
«Имитируя это явление шириной в километр в маленьком ящике, мы можем воспользоваться этой функцией, чтобы отказаться от соли».
Выстукивание
Сердцем нового дизайна команды является единая сцена, напоминающая тонкую коробку, покрытую темным материалом, который эффективно поглощает солнечное тепло. Внутри коробка разделена на верхнюю и нижнюю части.
Вода может течь через верхнюю половину, где потолок покрыт слоем испарителя, который использует солнечное тепло для нагрева и испарения воды при прямом контакте. Затем водяной пар направляется в нижнюю половину коробки, где конденсирующийся слой охлаждает пар на воздухе, превращая его в бессолевую питьевую жидкость.
Исследователи наклонили весь ящик внутри более крупного пустого сосуда, затем прикрепили трубку от верхней половины ящика к нижней части сосуда и опустили сосуд на воду в соленой воде.
В этой конфигурации вода может естественным образом подниматься через трубку в коробку, где наклон коробки в сочетании с тепловой энергией солнца заставляет воду завихряться при прохождении через нее. Небольшие водовороты помогают воде контактировать с верхним испаряющимся слоем, сохраняя при этом циркуляцию соли, а не оседание и засорение.
Команда построила несколько прототипов этого опреснительного устройства с одной, тремя и 10 ступенями и протестировала их работу в воде различной солености, включая природную морскую воду и воду, которая была в семь раз более соленой.
На основании этих испытаний исследователи подсчитали, что если каждую ступень увеличить до квадратного метра, она будет производить до 5 литров питьевой воды в час и что система сможет опреснять воду без накопления соли в течение нескольких лет.
Учитывая такой длительный срок службы и тот факт, что система полностью пассивна и не требует для работы электричества, по оценкам команды, общая стоимость эксплуатации системы будет дешевле, чем стоимость производства водопроводной воды в Соединенных Штатах.
«Мы показываем, что это устройство способно прослужить долго», — говорит Чжун. «Это означает, что впервые питьевая вода, производимая солнечным светом, может быть дешевле, чем водопроводная вода. Это открывает возможность опреснения воды с помощью солнечной энергии для решения реальных проблем».
«Это очень инновационный подход, который эффективно смягчает ключевые проблемы в области опреснения», — говорит Гуйхуа Юй, который разрабатывает устойчивые системы хранения воды и энергии в Техасском университете в Остине и не участвовал в исследовании.
«Эта конструкция особенно полезна для регионов, испытывающих проблемы с водой с высокой соленостью. Его модульная конструкция делает его очень подходящим для производства воды в домашних условиях, обеспечивая масштабируемость и адаптируемость для удовлетворения индивидуальных потребностей».
Автор Дженнифер Чу
источник: Массачусетский технологический институт
