En balancegang:Forbedret vandbehandlingsteknik ved hjælp af energitilpasning

I dag, et stort antal mennesker verden over lider under mangel på frisk drikkevand, især i fjerntliggende landdistrikter, udgør en væsentlig trussel mod menneskeliv og samfund. Mens teknikker som membrandestillation og omvendt osmose er blevet brugt til at behandle saltvand og afhjælpe situationen, de lider af begrænsninger som lav produktivitet, høje omkostninger og højt energiforbrug.

I de seneste år, direkte solar steam generation (DSSG) er dukket op som en levedygtig teknik til vandrensning. Processen bruger fototermiske materialer, der kan absorbere store mængder solenergi. Disse materialer bliver derefter lavet til at flyde i vand, som hjælper med at opretholde lokal opvarmning og generere vanddamp, der efterfølgende kondenseres for at opnå rent vand. Nuværende DSSG-metoder har nået grænserne for solvarmeeffektivitet og fordampningshastighed; imidlertid, i betragtning af efterspørgslen efter højflux rent vand i storskala kommercialisering, yderligere forbedring af fordampningshastigheden er nødvendig. Tidligere undersøgelser har forsøgt at gøre dette ved at udforske absorbere for at manipulere input og nødvendige energi til fordampning, men forholdet mellem IE og RE er ikke blevet undersøgt endnu.

Til denne ende, Prof Lei Miao fra Shibaura Institute of Technology, Japan, sammen med medforfatterne Xiaojiang Mu og Jianhua Zhou fra Guilin University of Electronic Technology, Kina, havde til formål at finde en balance mellem IE og RE for at optimere fordampningsydelsen i DSSG. Ifølge forskerne, Tricket var at reducere RE til at matche IE, et unikt koncept kaldet energimatching. For det, de kom med et innovativt fordampningssystem baseret på tolagsstrukturer af kulstof nanorør aerogel-coated træ (CACW). Designet gav tre lag termisk isolering, hvilket (1) minimerede varmetabet og forhindrede et pludseligt temperaturfald i absorberen og (2) regulerede vandtransporten til fordampningsoverfladen. Prof Miao forklarer, "Vandhastighedsregulering er nøglen til 'energimatching'-strategien, der anvendes i vores design. Ved at kontrollere hastigheden af ​​vandtransport, vi sikrer, at RE til fordampning er afbalanceret med IE til absorberen." Resultaterne af deres undersøgelse er offentliggjort i Solenergi RRL.

For at teste vandtransporthastigheden i CACW-systemet, forskerne vurderede fordampningshastighederne for forskellige koncentrationer af kulstofnanorør og for træplader af forskellig tykkelse. Ud over, de brugte systemet til at behandle flydende prøver, der emulerede spildevand, og estimerede deres kvalitet efter behandling i form af ionkoncentration, olieindhold, og bakterieniveauer. Endelig, de estimerede IE og fordampningshastigheder under varierende vandtransporthastigheder.

Analysen afslørede, at den bedste fordampningsydelse og højeste sol-til-damp energikonverteringseffektivitet opnået med dette system var 2,22 kg m. ^-2 h ^-1 og 93,2 %, henholdsvis, som er højere end andre kulstofbaserede materialer. I øvrigt, fordamperen viste tilstrækkelig selvrensende evne sammen med fremragende stabilitet efter 10 cyklusser. Det behandlede vand udviste signifikant reducerede metalionkoncentrationer, bakterieniveau og olieindhold sammenlignet med inputprøverne, tyder på, at det var egnet til at drikke.

Med så opmuntrende resultater, Prof Miao betragter det som en triumf for "energimatching"-strategien og mener, at den har brudt ny vej. Hun siger, "Vores strategi gav en forbedring på 40% i fordampningshastigheden sammen med en høj sol-til-damp konverteringseffektivitet på 93%. Vi ser nu frem til den praktiske implementering af DSSG inden for afsaltning af havvand og spildevandsrensning. I fremtiden, vi håber at komme med nye ideer til at udvikle denne teknologi yderligere, indtil vi har udryddet vandmangel."