Подход Университета Райса к очистке соленой воды с помощью солнечного света и наночастиц на солнечной энергии даже более эффективен, чем предполагали его создатели.
Исследователи из Лаборатории нанофотоники Райс (LANP) на этой неделе показали, что они могут повысить эффективность своей системы опреснения на солнечной энергии более чем на 50%, просто добавив недорогие пластиковые линзы для концентрации солнечного света в «горячих точках». Результаты доступны онлайн в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Обычный способ повысить производительность систем на солнечных батареях - это добавить солнечные концентраторы и привлечь больше света», - сказал Пратикша Донгаре, аспирант прикладной физики Инженерной школы Брауна Райс и соавтор. бумаги.«Большая разница здесь в том, что мы используем одинаковое количество света. Мы показали, что можно недорого перераспределить эту мощность и значительно увеличить скорость производства очищенной воды».
При обычной мембранной дистилляции горячая соленая вода течет по одной стороне листовой мембраны, а холодная отфильтрованная вода течет по другой. Разница температур создает разницу в давлении пара, которая перемещает водяной пар от нагретой стороны через мембрану к более холодной стороне с более низким давлением. Масштабирование технологии затруднено, потому что разница температур на мембране и, как следствие, выход чистой воды уменьшаются по мере увеличения размера мембраны. Технология Райс «дистилляция солнечной мембраны с использованием нанофотоники» (NESMD) решает эту проблему, используя светопоглощающие наночастицы, чтобы превратить саму мембрану в нагревательный элемент, работающий от солнечной энергии.
Донгаре и его коллеги, в том числе соавтор исследования Алессандро Алабастри, покрывают верхний слой своих мембран недорогими коммерчески доступными наночастицами, которые предназначены для преобразования более 80% энергии солнечного света в тепло. Нагрев с использованием наночастиц с помощью солнечной энергии снижает производственные затраты, и инженеры Rice работают над масштабированием технологии для применения в отдаленных районах, где нет доступа к электричеству.
Концепция и частицы, используемые в NESMD, были впервые продемонстрированы в 2012 году директором LANP Наоми Халас и научным сотрудником Оарой Нойманн, которые являются соавторами нового исследования. В исследовании, проведенном на этой неделе, Халас, Донгаре, Алабастри, Нейманн и физик из LANP Питер Нордландер обнаружили, что они могут использовать врожденную и ранее непризнанную нелинейную зависимость между интенсивностью падающего света и давлением паров.
Алабастри, физик и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники компании Texas Instruments, использовал простой математический пример для описания разницы между линейной и нелинейной зависимостью. «Если вы возьмете любые два числа, равные 10, - семь и три, пять и пять, шесть и четыре, - вы всегда получите 10, если сложите их вместе. Но если процесс нелинейный, вы можете возвести их в квадрат или даже возвести в куб, прежде чем складывать. Итак, если у нас есть девять и один, это будет девять в квадрате, или 81, плюс один в квадрате, что равняется 82. Это намного лучше, чем 10, а это лучшее, что вы можете сделать с линейной зависимостью».
В случае NESMD нелинейное улучшение происходит за счет концентрации солнечного света в крошечных точках, как это делает ребенок с увеличительным стеклом в солнечный день. Концентрация света на крошечном пятне на мембране приводит к линейному увеличению тепла, но нагрев, в свою очередь, вызывает нелинейное увеличение давления пара. А повышенное давление пропускает через мембрану больше очищенного пара за меньшее время.
«Мы показали, что всегда лучше иметь больше фотонов на меньшей площади, чем иметь однородное распределение фотонов по всей мембране», - сказал Алабастри.
Халас, химик и инженер, посвятивший более 25 лет новаторскому использованию активируемых светом наноматериалов, сказал: «Эффективность, обеспечиваемая этим нелинейно-оптическим процессом, важна, потому что нехватка воды является повседневной реальностью примерно для половины населения. людей во всем мире, и эффективная солнечная дистилляция может изменить это.
«Помимо очистки воды, этот нелинейный оптический эффект также может улучшить технологии, использующие солнечное нагревание для управления химическими процессами, такими как фотокатализ», - сказал Халас.
Например, LANP разрабатывает наночастицы на основе меди для преобразования аммиака в водородное топливо при атмосферном давлении.
Халас - профессор электротехники и вычислительной техники Стэнли С. Мура, директор Института Смолли-Керла Райс и профессор химии, биоинженерии, физики и астрономии, материаловедения и наноинженерии.
NESMD разрабатывается в Центре обработки воды с использованием нанотехнологий (NEWT) в Рисе и в 2018 году получила финансирование на исследования и разработки от программы солнечного опреснения Министерства энергетики.