Các kỹ sư và cộng tác viên của MIT đã phát triển một thiết bị chạy bằng năng lượng mặt trời khử muối thiết bị tránh được vấn đề tắc nghẽn muối của các thiết kế khác.
Các kỹ sư tại MIT và ở Trung Quốc đặt mục tiêu biến nước biển thành nước uống bằng một thiết bị hoàn toàn thụ động lấy cảm hứng từ đại dương và chạy bằng năng lượng mặt trời.
Trong một bài báo xuất hiện trên tạp chí Joule, nhóm nghiên cứu phác thảo thiết kế cho một hệ thống khử muối bằng năng lượng mặt trời mới lấy nước muối và làm nóng nó bằng ánh sáng mặt trời tự nhiên.
Cấu hình của thiết bị khử muối cho phép nước lưu thông theo các xoáy xoáy, giống như vòng tuần hoàn “nhiệt muối” lớn hơn nhiều của đại dương. Sự tuần hoàn này, kết hợp với sức nóng của mặt trời, làm nước bay hơi, để lại muối. Hơi nước thu được sau đó có thể được ngưng tụ và thu được thành nước tinh khiết, có thể uống được.
Trong khi đó, lượng muối còn sót lại tiếp tục lưu thông trong và ngoài thiết bị chứ không tích tụ và làm tắc nghẽn hệ thống.
Hệ thống khử muối mới có tốc độ sản xuất nước cao hơn và tỷ lệ loại bỏ muối cao hơn tất cả các ý tưởng khử muối thụ động bằng năng lượng mặt trời khác hiện đang được thử nghiệm.
Các nhà nghiên cứu ước tính rằng nếu hệ thống được mở rộng bằng kích thước của một chiếc vali nhỏ, nó có thể sản xuất khoảng 4 đến 6 lít nước uống mỗi giờ và có thể sử dụng trong vài năm trước khi cần thay thế các bộ phận. Ở quy mô và hiệu suất này, hệ thống có thể sản xuất nước uống với tỷ lệ và giá rẻ hơn nước máy.
Lenan Zhang, nhà khoa học nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Thiết bị của MIT, cho biết: “Lần đầu tiên, nước được tạo ra bởi ánh sáng mặt trời thậm chí còn rẻ hơn nước máy”.
Nhóm nghiên cứu hình dung một thiết bị khử muối mở rộng có thể sản xuất đủ nước uống một cách thụ động để đáp ứng nhu cầu hàng ngày của một gia đình nhỏ. Hệ thống này cũng có thể cung cấp cho các cộng đồng ven biển, không có lưới điện, nơi nước biển có thể dễ dàng tiếp cận.
Các đồng tác giả nghiên cứu của Zhang bao gồm sinh viên tốt nghiệp MIT Yang Zhong và Evelyn Wang, Giáo sư Kỹ thuật của Ford, cùng với Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang và Zhenyuan Xu của Đại học Shanghai Jiao Tong ở Trung Quốc.
Đối lưu mạnh mẽ
Hệ thống khử muối mới của nhóm cải tiến thiết kế trước đó - một khái niệm tương tự về nhiều lớp, được gọi là các giai đoạn. Mỗi tầng chứa một thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ sử dụng nhiệt từ mặt trời để tách muối khỏi nước một cách thụ động.
Thiết kế đó mà nhóm đã thử nghiệm trên nóc tòa nhà MIT, đã chuyển đổi hiệu quả năng lượng mặt trời thành nước bay hơi, sau đó ngưng tụ thành nước uống được.
Nhưng lượng muối còn sót lại nhanh chóng tích tụ thành tinh thể làm tắc nghẽn hệ thống sau vài ngày. Trong cài đặt thế giới thực, người dùng sẽ phải đặt các giai đoạn thường xuyên, điều này sẽ làm tăng đáng kể chi phí chung của hệ thống.
Trong nỗ lực tiếp theo, họ nghĩ ra một giải pháp với cấu hình phân lớp tương tự, lần này có thêm tính năng giúp tuần hoàn nước đến cũng như lượng muối còn sót lại. Mặc dù thiết kế này ngăn muối lắng và tích tụ trên thiết bị nhưng nó khử muối trong nước ở tốc độ tương đối thấp.
Trong lần lặp lại mới nhất, nhóm nghiên cứu tin rằng họ đã đạt được thiết kế hệ thống khử muối đạt được cả tốc độ sản xuất nước cao và khả năng loại bỏ muối cao, nghĩa là hệ thống có thể sản xuất nước uống nhanh chóng và đáng tin cậy trong thời gian dài.
Chìa khóa cho thiết kế mới của họ là sự kết hợp giữa hai khái niệm trước đây: một hệ thống nhiều tầng gồm thiết bị bay hơi và bình ngưng, cũng được cấu hình để tăng cường lưu thông nước - và muối - trong mỗi giai đoạn.
Xu nói: “Bây giờ chúng tôi giới thiệu một loại đối lưu thậm chí còn mạnh hơn, tương tự như những gì chúng ta thường thấy ở đại dương, ở quy mô dài hàng km”.
Các vòng tuần hoàn nhỏ được tạo ra trong hệ thống mới của nhóm tương tự như sự đối lưu “nhiệt mặn” trong đại dương — một hiện tượng thúc đẩy sự chuyển động của nước trên khắp thế giới, dựa trên sự khác biệt về nhiệt độ nước biển (“nhiệt”) và độ mặn (“haline” ).
“Khi nước biển tiếp xúc với không khí, ánh sáng mặt trời làm nước bốc hơi. Một khi nước rời khỏi bề mặt, muối vẫn còn. Và nồng độ muối càng cao, chất lỏng càng đậm đặc và nước nặng hơn này muốn chảy xuống”, Zhang giải thích.
“Bằng cách bắt chước hiện tượng rộng hàng km này trong chiếc hộp nhỏ, chúng ta có thể tận dụng đặc điểm này để loại bỏ muối.”
Khai thác
Trọng tâm trong thiết kế mới của nhóm là một tầng giống như một chiếc hộp mỏng, bên trên là một vật liệu tối màu giúp hấp thụ nhiệt của mặt trời một cách hiệu quả. Bên trong, hộp được chia thành phần trên và phần dưới.
Nước có thể chảy qua nửa trên, nơi trần nhà được lót một lớp bay hơi sử dụng nhiệt của mặt trời để làm nóng và làm bay hơi mọi nước tiếp xúc trực tiếp. Hơi nước sau đó được dẫn xuống nửa dưới của hộp, nơi có một lớp ngưng tụ không khí làm mát hơi thành chất lỏng không chứa muối, có thể uống được.
Các nhà nghiên cứu đặt nghiêng toàn bộ chiếc hộp trong một chiếc bình rỗng lớn hơn, sau đó gắn một ống từ nửa trên của hộp xuống đáy bình và thả chiếc bình vào trong nước mặn.
Trong cấu hình này, nước có thể đẩy lên qua ống và vào hộp một cách tự nhiên, tại đó độ nghiêng của hộp, kết hợp với năng lượng nhiệt từ mặt trời, khiến nước xoáy khi chảy qua. Các dòng xoáy nhỏ giúp đưa nước tiếp xúc với lớp bay hơi phía trên đồng thời giữ cho muối tuần hoàn, thay vì lắng đọng và gây tắc nghẽn.
Nhóm đã chế tạo một số nguyên mẫu của thiết bị khử muối này, với một, ba và 10 giai đoạn, đồng thời thử nghiệm hiệu suất của chúng trong nước có độ mặn khác nhau, bao gồm nước biển tự nhiên và nước mặn hơn gấp XNUMX lần.
Từ những thử nghiệm này, các nhà nghiên cứu tính toán rằng nếu mỗi giai đoạn được mở rộng lên một mét vuông, nó sẽ tạo ra tới 5 lít nước uống mỗi giờ và hệ thống có thể khử muối trong nước mà không tích tụ muối trong vài năm.
Với tuổi thọ kéo dài này và thực tế là hệ thống hoàn toàn thụ động, không cần điện để chạy, nhóm nghiên cứu ước tính rằng tổng chi phí vận hành hệ thống sẽ rẻ hơn chi phí sản xuất nước máy ở Hoa Kỳ.
Zhong cho biết: “Chúng tôi chứng minh rằng thiết bị này có khả năng đạt được tuổi thọ lâu dài”. “Điều đó có nghĩa là, lần đầu tiên, nước uống được sản xuất bằng ánh sáng mặt trời có thể rẻ hơn nước máy. Điều này mở ra khả năng khử muối bằng năng lượng mặt trời để giải quyết các vấn đề trong thế giới thực.”
Guihua Yu, người phát triển hệ thống lưu trữ năng lượng và nước bền vững tại Đại học Texas ở Austin, cho biết: “Đây là một cách tiếp cận rất sáng tạo giúp giảm thiểu một cách hiệu quả những thách thức chính trong lĩnh vực khử muối”.
“Thiết kế này đặc biệt có lợi cho những vùng đang phải vật lộn với nước có độ mặn cao. Thiết kế mô-đun của nó khiến nó rất phù hợp cho việc sản xuất nước gia đình, cho phép khả năng mở rộng và khả năng thích ứng để đáp ứng nhu cầu cá nhân.”
Viết bởi Jennifer Chu
Nguồn: Viện Công nghệ Massachusetts