Ingeniører øger produktionen af ​​solafsaltningssystem med 50 %

Rice Universitys solcelledrevne tilgang til rensning af saltvand med sollys og nanopartikler er endnu mere effektiv, end dens skabere først troede.

Forskere i Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) viste i denne uge, at de kunne øge effektiviteten af ​​deres solcelledrevne afsaltningssystem med mere end 50% blot ved at tilføje billige plastiklinser for at koncentrere sollys til "hot spots". Resultaterne er tilgængelige online i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Den typiske måde at øge ydeevnen i solcelledrevne systemer på er at tilføje solenergikoncentratorer og bringe mere lys ind, " sagde Pratiksha Dongare, en kandidatstuderende i anvendt fysik ved Rice's Brown School of Engineering og medforfatter af papiret. "Den store forskel her er, at vi bruger den samme mængde lys. Vi har vist, at det er muligt billigt at omfordele den strøm og dramatisk øge hastigheden af ​​renset vandproduktion."

Ved konventionel membrandestillation, hed, saltvand strømmer hen over den ene side af en arklignende membran, mens det er køligt, filtreret vand strømmer hen over den anden. Temperaturforskellen skaber en forskel i damptryk, der driver vanddamp fra den opvarmede side gennem membranen mod køleren, side med lavere tryk. Det er vanskeligt at opskalere teknologien, fordi temperaturforskellen over membranen - og det resulterende output af rent vand - falder, når størrelsen af ​​membranen øges. Rice's "nanophotonics-enabled solar membrane destillation" (NESMD) teknologi adresserer dette ved at bruge lysabsorberende nanopartikler til at omdanne selve membranen til et soldrevet varmeelement.

Dongare og kolleger, inklusive studielederforfatter Alessandro Alabastri, belæg det øverste lag af deres membraner med lavpris, kommercielt tilgængelige nanopartikler, der er designet til at omdanne mere end 80 % af sollysenergien til varme. Den soldrevne nanopartikelopvarmning reducerer produktionsomkostningerne, og Rice-ingeniører arbejder på at opskalere teknologien til applikationer i fjerntliggende områder, der ikke har adgang til elektricitet.

Konceptet og partiklerne brugt i NESMD blev først demonstreret i 2012 af LANP-direktør Naomi Halas og forsker Oara Neumann, som begge er medforfattere på det nye studie. I denne uges undersøgelse, Halas, Dongare, Alabastri, Neumann og LANP-fysiker Peter Nordlander fandt ud af, at de kunne udnytte et iboende og hidtil ukendt ikke-lineært forhold mellem indfaldende lysintensitet og damptryk.

Alabastri, en fysiker og Texas Instruments Research Assistant Professor i Rice's Department of Electrical and Computer Engineering, brugt et simpelt matematisk eksempel til at beskrive forskellen mellem en lineær og ikke-lineær sammenhæng. "Hvis du tager to tal, der er lig med 10 - syv og tre, fem og fem, seks og fire – du får altid 10, hvis du lægger dem sammen. Men hvis processen er ikke-lineær, du kan kvadrere dem eller endda skære dem i terninger, før du tilføjer dem. Så hvis vi har ni og en, det ville være ni kvadrat, eller 81, plus en i anden kvadrat, hvilket er lig med 82. Det er langt bedre end 10, hvilket er det bedste du kan gøre med et lineært forhold."

I tilfældet med NESMD, den ikke-lineære forbedring kommer fra at koncentrere sollys til små pletter, ligesom et barn kan med et forstørrelsesglas på en solskinsdag. Koncentrering af lyset på en lille plet på membranen resulterer i en lineær stigning i varme, men opvarmningen, på tur, producerer en ikke-lineær stigning i damptrykket. Og det øgede tryk tvinger mere renset damp gennem membranen på kortere tid.

"Vi viste, at det altid er bedre at have flere fotoner i et mindre område end at have en homogen fordeling af fotoner over hele membranen, " sagde Alabastri.

Halas, en kemiker og ingeniør, der har brugt mere end 25 år på at pionere brugen af ​​lysaktiverede nanomaterialer, sagde, "De effektivitetsgevinster, som denne ikke-lineære optiske proces giver, er vigtige, fordi vandknaphed er en daglig realitet for omkring halvdelen af ​​verdens mennesker, og effektiv soldestillation kunne ændre det.

"Ud over vandrensning, denne ikke-lineære optiske effekt kunne også forbedre teknologier, der bruger solvarme til at drive kemiske processer som fotokatalyse, " sagde Halas.

For eksempel, LANP udvikler en kobberbaseret nanopartikel til at omdanne ammoniak til brintbrændstof ved omgivende tryk.

Halas er Stanley C. Moore-professor i elektro- og computerteknik, direktør for Rice's Smalley-Curl Institute og professor i kemi, bioingeniør, fysik og astronomi, og materialevidenskab og nanoteknik.

NESMD er under udvikling på det risbaserede Center for Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) og vandt forsknings- og udviklingsfinansiering fra Department of Energys Solar Desalination program i 2018.