Ingeniører opgraderer gamle, soldrevet teknologi til at rense vand med næsten perfekt effektivitet

Ideen om at bruge energi fra solen til at fordampe og rense vand er gammel. Den græske filosof Aristoteles beskrev efter sigende en sådan proces mere end 2, 000 år siden.

Nu, forskere bringer denne teknologi ind i den moderne tidsalder, bruger det til at rense vand med, hvad de rapporterer at være rekordhøje priser.

Ved at drapere sort, kulstofdyppet papir i en trekantet form og bruger det til både at absorbere og fordampe vand, de har udviklet en metode til at bruge sollys til at generere rent vand med næsten perfekt effektivitet.

"Vores teknik er i stand til at producere drikkevand i et hurtigere tempo, end det teoretisk beregnes under naturligt sollys, " siger ledende forsker Qiaoqiang Gan, PhD, lektor i elektroteknik ved universitetet ved Buffalo School of Engineering and Applied Sciences.

Som Gan forklarer, "Som regel, når solenergi bruges til at fordampe vand, noget af energien går til spilde, da varme går tabt til det omgivende miljø. Dette gør processen mindre end 100 procent effektiv. Vores system har en måde at trække varme ind fra det omgivende miljø, giver os mulighed for at opnå næsten perfekt effektivitet."

Lavpristeknologien kunne give drikkevand i regioner, hvor ressourcerne er knappe, eller hvor naturkatastrofer har ramt. Fremskridtene er beskrevet i en undersøgelse offentliggjort den 3. maj i tidsskriftet Avanceret Videnskab .

Projektet, finansieret af National Science Foundation (NSF), var et samarbejde mellem UB, Fudan University i Kina og University of Wisconsin-Madison. UB elektroingeniør PhD-kandidat Haomin Song og ph.d.-kandidat Youhai Liu var undersøgelsens første forfattere.

Gan, Song og andre kolleger har lanceret en startup, Solrigt rent vand, at bringe opfindelsen til folk, der har brug for den. Med støtte fra NSF Small Business Innovation Research-programmet, virksomheden integrerer det nye fordampningssystem i en prototype af et solcelleanlæg, en soldrevet vandrenser.

"Når du taler med embedsmænd eller nonprofitorganisationer, der arbejder i katastrofezoner, de vil gerne vide:'Hvor meget vand kan du generere hver dag?' Vi har en strategi for at øge den daglige præstation, "Sangen siger. "Med et solcelleanlæg på størrelse med et minikøleskab, vi vurderer, at vi kan generere 10 til 20 liter rent vand hver eneste dag."

Modernisering af en ældgammel teknologi

Solar stills har eksisteret i lang tid. Disse enheder bruger solens varme til at fordampe vand, efterlader salt, bakterier og snavs bagved. Derefter, vanddampen afkøles og vender tilbage til en flydende tilstand, på hvilket tidspunkt det samles i en ren beholder.

Teknikken har mange fordele. Det er simpelt, og strømkilden - solen - er tilgængelig næsten overalt. Men desværre, selv de nyeste solar still-modeller er noget ineffektive til at fordampe vand.

Gans team tacklede denne udfordring gennem en pæn, kontraintuitivt trick:De øgede effektiviteten af ​​deres fordampningssystem ved at køle det ned.

En central komponent i deres teknologi er et ark kulstofdyppet papir, der er foldet til en "V"-form på hovedet, som taget på et fuglehus. De nederste kanter af papiret hænger i en vandpøl, opsuger væsken som en serviet. På samme tid, kulstofbelægningen absorberer solenergi og omdanner den til varme til fordampning.

Som Gan forklarer, papirets skrå geometri holder det køligt ved at svække intensiteten af ​​sollyset, der oplyser det. (En flad overflade ville blive ramt direkte af solens stråler.) Fordi det meste af det kulstofbelagte papir forbliver under stuetemperatur, det kan trække varme ind fra det omkringliggende område, kompenserer for det regelmæssige tab af solenergi, der opstår under fordampningsprocessen.

Ved at bruge denne opsætning, forskere fordampede, hvad der svarer til 2,2 liter vand i timen for hver kvadratmeter område, der blev oplyst af den almindelige sol, højere end den teoretiske øvre grænse på 1,68 liter, ifølge den nye undersøgelse. Holdet udførte sine test i laboratoriet, using a solar simulator to generate light at the intensity of one regular sun.

"Most groups working on solar evaporation technologies are trying to develop advanced materials, such as metallic plasmonic and carbon-based nanomaterials, " Gan says. "We focused on using extremely low-cost materials and were still able to realize record-breaking performance.

"Importantly, this is the only example I know of where the thermal efficiency of the solar evaporation process is 100 percent when you consider solar energy input. By developing a technique where the vapor is below ambient temperature, we create new research possibilities for exploring alternatives to high-temperature steam generation."