Forurenet spildevand i prognosen? Prøv en solparaply

fordampningsdamme, som er almindeligt anvendt i mange industrier til at håndtere spildevand, kan spænde over hektar, optager et stort fodaftryk og udgør ofte risici for fugle og andet dyreliv. Alligevel er de en økonomisk måde at håndtere forurenet vand på, fordi de udnytter naturlig fordampning under sollys til at reducere store mængder snavset vand til meget mindre mængder fast affald.

Nu har forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) demonstreret en måde at fordoble fordampningshastigheden ved at bruge solenergi og drage fordel af vandets iboende egenskaber. Studiet, ledet af Berkeley Lab -forskere Akanksha Menon og Ravi Prasher, er rapporteret i dag i bladet Naturens bæredygtighed .

Fordampningsdamme bruges på kraftværker, afsaltningsanlæg, i olie- og gasindustrien, og også til lithiumekstraktion, hvori lithiumrig saltlage pumpes ud i store, menneskeskabte saltdamme. De er almindelige i Kina, Australien, Europa, Mellemøsten, og dele af USA, hvor klimaet er passende (tørt eller halvtørt med meget solskin), og disse damme kan være på størrelse med hundredvis af fodboldbaner, med mange af dem siddende side om side.

"Dette er et stort samfundsproblem, vi forsøger at løse. For enten at bortskaffe spildevandet eller at udvinde et værdifuldt salt som lithium, du gerne vil øge fordampningshastigheden dramatisk og på en skalerbar måde, " sagde Prasher, en ekspert i termisk energi, der også fungerer som Berkeley Labs associerede direktør for Energy Technologies Area. "Hvis vi kunne gøre det, der kunne reducere deres miljøpåvirkning ved at reducere mængden af ​​krævet jord."

For at maksimere vandgenvinding fra industrielt spildevand og afsaltningslage, der har været et skub for at opnå "nul væskeafladning", så det endelige affald er et fast stof. Processen involverer en række behandlingstrin, og det sidste trin er ofte en fordampningsdam. Menon, en Berkeley Lab postdoc-stipendiat, bemærker, at der er blevet foreslået mange ideer om at bruge solenergi til at fremskynde fordampningshastigheden.

"Der er blevet udgivet flere artikler i de sidste fem år, "sagde hun." De fleste involverer sollysabsorberende strukturer, der flyder på vandoverfladen, som en sort svamp, at lokalisere varmen, da fordampning er et overfladefænomen."

Desværre har sådanne porøse strukturer en tendens til at blive tilstoppet med de meget forurenende stoffer, som de forsøger at adskille. "Så over tid, ydelsen af ​​de flydende absorbere falder dramatisk, " sagde Menon. "Nogle gange vil saltene sætte sig fast på overfladen og vil reflektere sollys i stedet for at absorbere det."

Transformering af sollysets bølgelængde

Berkeley Lab-forskerne ledte efter en løsning, der kunne undgå sådanne problemer. "Vi indså, at hvis man ser på vandets egenskaber, det har meget stærk absorption i det mellem-infrarøde bølgelængdeområde, " sagde Menon. "Hvis du skinner mellem-infrarødt lys på vandet, det vil absorbere det så kraftigt, at det bevarer al den varme i et meget tyndt lag."

Holdet besluttede at bygge en enhed, de sammenligner med en "strålingstransformator, " som tager energi fra sollys i området 400 til 1, 500 nanometer og konverterer det til 3, 000 nanometer eller mere, som er i det mellem-infrarøde område.

Berkeley Lab-forskerne demonstrerede konceptet i laboratoriet ved hjælp af en mættet opløsning af bordsalt. I deres eksperiment, deres prototype-enhed forbedrede fordampningshastigheden med mere end 100 % i forhold til naturlig fordampning. De tilføjer, at der er potentiale for at øge fordampningen med 160 % ved at optimere det termiske design.

Deres fototermiske enhed - et fladt ark, der selektivt absorberer solenergi på den ene side og udsender mid-infrarød energi på den anden - sidder over vandet i en fordampningsdam som en paraply. "Et websted kan have en række af disse solparasoller, sandsynligvis siddende på teltposter, cirka en fod eller derover over vandet, "sagde Menon.

Forskerne bemærkede, at sådanne solparaplyer også kunne spille en rolle i afsaltningsanlæg, som dukker op som en løsning til stigende efterspørgsel efter vand rundt om i verden, men bortskaffelse af biproduktet - koncentreret saltlage - er fortsat et problem. Berkeley Lab leder National Alliance for Water Innovation (NAWI), som blev tildelt $100-million Energy-Water Desalination Hub af DOE tidligere i år.

"Hvis du vil lave afsaltning i stor skala, en af ​​de største udfordringer er, hvordan man kommer med skalerbare teknologier, " sagde Prasher. "Dette er potentielt en meget skalerbar nul-væskeudledningsteknologi, som ikke kræver nogen energi, fordi det er baseret på solenergi."

Prasher sagde, at holdet derefter ønsker at forfølge to retninger. Den første er at lave en tekno-økonomisk analyse for både lithiumudvinding og nul-væskeudledning til afsaltningsanlæg for bedre at forstå omkostningerne. Den anden er at se på at lave enheden af ​​en polymer eller andet materiale for yderligere at reducere omkostningerne.