Inženirji in sodelavci MIT so razvili sončno energijo razsoljevanje naprava, ki se izogne težavam z zamašitvijo soli drugih oblik.
Inženirji na MIT in na Kitajskem si prizadevajo spremeniti morsko vodo v pitno s popolnoma pasivno napravo, ki jo navdihuje ocean in napaja sonce.
Prototip nagnjenega desetstopenjskega sistema za razsoljevanje je nameščen v rezervoarju, podobnem čolnu. Avtor slike: Jintong Gao in Zhenyuan Xu / MIT
V članku, ki se pojavi v reviji džul, ekipa opisuje zasnovo novega solarnega sistema za razsoljevanje, ki zajema slano vodo in jo segreva z naravno sončno svetlobo.
Konfiguracija naprave za razsoljevanje omogoča, da voda kroži v vrtinčastih vrtincih, kot je veliko večje »termohalinsko« kroženje oceana. To kroženje v kombinaciji s sončno toploto izhlapi vodo, za seboj pa ostane sol. Nastalo vodno paro lahko nato kondenziramo in zberemo kot čisto, pitno vodo.
Medtem ostanek soli še naprej kroži skozi napravo in iz nje, namesto da bi se kopičila in mašila sistema.
Novi sistem za razsoljevanje ima višjo stopnjo proizvodnje vode in višjo stopnjo zavrnitve soli kot vsi drugi koncepti pasivnega sončnega razsoljevanja, ki se trenutno preizkušajo.
Raziskovalci ocenjujejo, da če bi sistem povečali na velikost majhnega kovčka, bi lahko proizvedel približno 4 do 6 litrov pitne vode na uro in zdržal več let, preden bi potrebovali nadomestne dele. Pri tem obsegu in zmogljivosti bi sistem lahko proizvedel pitno vodo po stopnji in ceni, ki je cenejša od vode iz pipe.
Test prototipa na prostem pod naravno sončno svetlobo. Avtorji slike: Jintong Gao in Zhenyuan Xu / MIT
"Prvič je mogoče, da je voda, proizvedena s sončno svetlobo, celo cenejša od vode iz pipe," pravi Lenan Zhang, raziskovalec v Laboratoriju za raziskave naprav MIT.
Ekipa predvideva, da bi lahko povečana naprava za razsoljevanje pasivno proizvedla dovolj pitne vode za izpolnjevanje dnevnih potreb majhne družine. Sistem bi lahko oskrboval tudi obalne skupnosti zunaj omrežja, kjer je morska voda zlahka dostopna.
Zhangovi soavtorji študije so podiplomski študent MIT Yang Zhong in Evelyn Wang, Fordova profesorica inženiringa, skupaj z Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang in Zhenyuan Xu s šanghajske univerze Jiao Tong na Kitajskem.
Močna konvekcija
Novi sistem razsoljevanja ekipe je izboljšan prejšnji dizajn — podoben koncept več plasti, imenovanih stopnje. Vsaka stopnja je vsebovala uparjalnik in kondenzator, ki je uporabljal sončno toploto za pasivno ločevanje soli od vhodne vode.
Ta zasnova, ki jo je ekipa preizkusila na strehi stavbe MIT, je učinkovito pretvorila sončno energijo v izhlapevanje vode, ki je bila nato kondenzirana v pitno vodo.
Toda sol, ki je ostala, se je hitro nabrala kot kristali, ki so po nekaj dneh zamašili sistem. V resničnem okolju bi moral uporabnik pogosto postavljati stopnje, kar bi znatno povečalo skupne stroške sistema.
V nadaljnjem prizadevanju so iznašel rešitev s podobno večplastno konfiguracijo, tokrat z dodano funkcijo, ki je pomagala krožiti dotekajočo vodo in morebitne ostanke soli. Medtem ko je ta zasnova preprečila usedanje in kopičenje soli na napravi, je vodo razsolila relativno nizko.
V zadnji ponovitvi skupina verjame, da je pristala na zasnovi sistema za razsoljevanje, ki dosega visoko stopnjo proizvodnje vode in visoko zavrnitev soli, kar pomeni, da lahko sistem hitro in zanesljivo proizvaja pitno vodo za daljše obdobje.
Ključ do njihove nove zasnove je kombinacija njihovih dveh prejšnjih konceptov: večstopenjski sistem uparjalnikov in kondenzatorjev, ki je prav tako konfiguriran za pospeševanje kroženja vode – in soli – znotraj vsake stopnje.
"Zdaj uvajamo še močnejšo konvekcijo, ki je podobna tisti, ki jo običajno vidimo v oceanu, na kilometrskih lestvicah," pravi Xu.
Majhna kroženja, ki nastanejo v novem sistemu ekipe, so podobna "termohalinski" konvekciji v oceanu – pojavu, ki poganja gibanje vode po vsem svetu, na podlagi razlik v temperaturi morja ("termo") in slanosti ("halinsko" ).
»Ko je morska voda izpostavljena zraku, sončna svetloba povzroči izhlapevanje vode. Ko voda zapusti površino, sol ostane. In višja ko je koncentracija soli, gostejša je tekočina in ta težja voda želi teči navzdol,« pojasnjuje Zhang.
"S posnemanjem tega kilometrskega pojava v majhni škatli lahko izkoristimo to funkcijo, da zavrnemo sol."
Tapkanje ven
Srce novega dizajna ekipe je enojni oder, ki spominja na tanko škatlo, na vrhu pa je temen material, ki učinkovito absorbira sončno toploto. V notranjosti je škatla ločena na zgornji in spodnji del.
Voda lahko teče skozi zgornjo polovico, kjer je strop obložen s plastjo uparjalnika, ki uporablja sončno toploto za ogrevanje in izhlapevanje vode v neposrednem stiku. Vodna para se nato usmeri v spodnjo polovico škatle, kjer kondenzacijska plast zračno ohladi paro v pitno tekočino brez soli.
Raziskovalci so celotno škatlo nagnili v večji, prazni posodi, nato pa pritrdili cev iz zgornje polovice škatle navzdol skozi dno posode in posodo spustili v slano vodo.
V tej konfiguraciji lahko voda naravno potisne navzgor skozi cev in v škatlo, kjer nagib škatle v kombinaciji s toplotno energijo sonca povzroči vrtinčenje vode, ko teče skozi. Majhni vrtinci pomagajo, da pride voda v stik z zgornjo izhlapevalno plastjo, hkrati pa ohranjajo kroženje soli, namesto da bi se usedala in zamašila.
Ekipa je izdelala več prototipov te naprave za razsoljevanje z eno, tremi in desetimi stopnjami ter preizkusila njihovo delovanje v vodi z različno slanostjo, vključno z naravno morsko vodo in vodo, ki je bila sedemkrat bolj slana.
Iz teh testov so raziskovalci izračunali, da če bi vsako stopnjo povečali na kvadratni meter, bi proizvedli do 5 litrov pitne vode na uro in da bi sistem lahko razsoljeval vodo brez kopičenja soli več let.
Glede na to podaljšano življenjsko dobo in dejstvo, da je sistem povsem pasiven in za delovanje ne potrebuje električne energije, ekipa ocenjuje, da bi bili skupni stroški delovanja sistema cenejši od stroškov proizvodnje vode iz pipe v Združenih državah.
"Pokazujemo, da je ta naprava sposobna doseči dolgo življenjsko dobo," pravi Zhong. »To pomeni, da je prvič mogoče, da je pitna voda, proizvedena s sončno svetlobo, cenejša od vode iz pipe. To odpira možnost za sončno razsoljevanje za reševanje problemov v resničnem svetu.
»To je zelo inovativen pristop, ki učinkovito blaži ključne izzive na področju razsoljevanja,« pravi Guihua Yu, ki razvija trajnostne sisteme za shranjevanje vode in energije na teksaški univerzi v Austinu in ni bil vključen v raziskavo.
»Zasnova je še posebej ugodna za regije, ki se spopadajo z vodo z visoko slanostjo. Zaradi njegove modularne zasnove je zelo primeren za proizvodnjo vode v gospodinjstvih, saj omogoča razširljivost in prilagodljivost za izpolnjevanje individualnih potreb.”
Napisala Jennifer Chu
