Исследовательская работа, финансируемая из федерального бюджета, направленная на революцию в очистке воды, привела к созданию автономной технологии, которая использует энергию только солнечного света для превращения соленой воды в пресную питьевую воду. Система опреснения, в которой используется комбинация технологии мембранной дистилляции и светособирающей нанофотоники, является первой крупной инновацией Центра очистки воды с использованием нанотехнологий (NEWT), межведомственного инженерно-исследовательского центра, базирующегося в Университете Райса.
Технология «нанофотонной дистилляции солнечной мембраны» от NEWT, или NESMD, сочетает в себе проверенные методы очистки воды с передовой нанотехнологией, которая преобразует солнечный свет в тепло. Технология описана онлайн на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Более 18 000 опреснительных установок работают в 150 странах, но технология опреснения NEWT не похожа ни на одну другую, используемую сегодня.
«Прямое солнечное опреснение может изменить правила игры для некоторых из примерно 1 миллиарда человек, которые не имеют доступа к чистой питьевой воде», - сказал ученый Райс и эксперт по очистке воды Цилинь Ли, соавтор исследования. «Эта автономная технология способна обеспечить достаточное количество чистой воды для семейного использования при компактных размерах, и ее можно масштабировать для обеспечения водой больших сообществ».
Древнейший метод получения пресной воды из соленой - дистилляция. Соленая вода кипятится, а пар улавливается и проходит через конденсационный змеевик. Дистилляция использовалась веками, но она требует сложной инфраструктуры и неэффективна с точки зрения энергии из-за количества тепла, необходимого для кипячения воды и производства пара. Более половины стоимости эксплуатации установки по дистилляции воды приходится на энергию.
Новой технологией опреснения воды является мембранная дистилляция, при которой горячая соленая вода проходит через одну сторону пористой мембраны, а холодная пресная вода - через другую. Водяной пар естественным образом проходит через мембрану с горячей стороны на холодную, и, поскольку морскую воду не нужно кипятить, потребность в энергии меньше, чем при традиционной дистилляции. Тем не менее, затраты энергии по-прежнему значительны, поскольку тепло постоянно теряется с горячей стороны мембраны на холодную.
«В отличие от традиционной мембранной дистилляции, NESMD выигрывает от повышения эффективности с увеличением масштаба», - сказала Наоми Халас из Rice, соответствующий автор статьи и руководитель исследований NEWT в области нанофотоники.«Для оптимальной конверсии дистиллята требуется минимальная энергия перекачивания, и существует ряд способов дальнейшей оптимизации технологии, чтобы сделать ее более продуктивной и эффективной».
Новая технология NEWT основана на исследованиях лаборатории Халаса по созданию инженерных наночастиц, которые собирают до 80 процентов солнечного света для производства пара. Добавляя недорогие коммерчески доступные наночастицы к пористой мембране, NEWT фактически превратил саму мембрану в односторонний нагревательный элемент, который самостоятельно нагревает воду для проведения мембранной дистилляции..
«Интеграция возможностей фототермического нагрева в мембрану для очистки воды для прямого опреснения с помощью солнечной энергии открывает новые возможности в очистке воды», - сказал Менахем «Мени» Элимелех из Йельского университета, соавтор новой исследование и ведущий исследователь NEWT в области мембранных процессов.
В исследовании PNAS исследователи представили результаты проверки концепции, основанные на тестах с камерой NESMD размером примерно с три почтовые марки и толщиной всего в несколько миллиметров. Дистилляционная мембрана в камере содержала специально разработанный верхний слой из наночастиц сажи, внедренных в пористый полимер. Светоулавливающие наночастицы нагревали всю поверхность мембраны под воздействием солнечного света. Тонкий полумиллиметровый слой соленой воды струился поверх слоя сажи, а внизу струился прохладный пресноводный поток.
Ли, руководитель испытательных стендов передовой очистки NEWT в Райсе, сказал, что скорость производства воды значительно увеличилась за счет концентрации солнечного света. «Интенсивность возросла до 17,5 киловатт на квадратный метр, когда линза использовалась для концентрации солнечного света в 25 раз, а производство воды увеличилось примерно до 6 литров на квадратный метр в час».
Ли сказал, что исследовательская группа NEWT уже создала гораздо более крупную систему, содержащую панель размером примерно 70 на 25 сантиметров. В конечном счете, по ее словам, NEWT надеется создать модульную систему, в которой пользователи смогут заказывать столько панелей, сколько им нужно, в зависимости от их ежедневного потребления воды.
«Вы можете собрать их вместе, как панели солнечной фермы», - сказала она. «В зависимости от необходимой вам производительности воды вы можете рассчитать, какая площадь мембраны вам понадобится. Например, если вам нужно 20 литров в час, а панели производят 6 литров в час на квадратный метр, вы закажете чуть больше 3 квадратных метра панелей."
Учрежденная Национальным научным фондом в 2015 году, компания NEWT направлена на разработку компактных, мобильных автономных систем очистки воды, которые могут обеспечить чистой водой миллионы людей, которым ее не хватает, и сделать производство энергии в США более устойчивым и экономичным. -эффективный. NEWT, который, как ожидается, получит более 40 миллионов долларов федеральной и промышленной поддержки в течение следующего десятилетия, является первым инженерно-исследовательским центром NSF (ERC) в Хьюстоне и только третьим в Техасе с тех пор, как NSF начал программу ERC в 1985 году. NEWT фокусируется о приложениях для реагирования на чрезвычайные гуманитарные ситуации, сельских систем водоснабжения и очистки и повторного использования сточных вод на удаленных объектах, включая как наземные, так и морские буровые платформы для разведки нефти и газа.