Около миллиарда человек во всем мире не имеют доступа к безопасной питьевой воде. Опреснение соленой воды в питьевую воду может помочь восполнить этот опасный пробел. Но традиционные системы опреснения слишком дороги для установки и эксплуатации во многих местах, особенно в странах с низким уровнем дохода и отдаленных районах.
Теперь исследователи из Университета Мэриленда А. Инженерная школа Джеймса Кларка продемонстрировала успешный прототип одного из важнейших компонентов доступного мелкомасштабного опреснения воды: недорогой солнечный испаритель из дерева. Испаритель производит пар с высокой эффективностью и требует минимального обслуживания, говорит Лянбинг Ху, доцент кафедры материаловедения и инженерии и член Мэрилендского института энергетических инноваций.
В конструкции используется метод, известный как межфазное испарение, «который показывает большой потенциал в ответ на глобальный дефицит воды из-за его высокой эффективности преобразования солнечной энергии в пар, низкого воздействия на окружающую среду и портативного дизайна устройства с низкой стоимостью». Ху говорит. «Эти функции делают его пригодным для автономного производства и очистки воды, особенно для стран с низким уровнем дохода».
Межфазные испарители изготовлены из тонких материалов, которые плавают в соленой воде. Поглощая солнечное тепло сверху, испарители непрерывно вытягивают соленую воду снизу и превращают ее в пар на своей верхней поверхности, оставляя соль позади, объясняет Ху, старший автор статьи, описывающей работу в Advanced Materials.
Однако со временем соль может накапливаться на этой испаряющей поверхности, постепенно ухудшая производительность, пока ее не удалят, говорит он.
Ху и его коллеги свели к минимуму потребность в этом уходе с помощью устройства, изготовленного из липы, которое использует естественную структуру древесины каналов шириной в микрон, по которым вода и питательные вещества передаются вверх по дереву.
Исследователи дополняют эти естественные каналы, просверливая второй ряд каналов миллиметровой ширины в тонком поперечном сечении древесины, говорит Юди Куанг, приглашенный ученый и ведущий автор статьи. Затем исследователи ненадолго подвергают верхнюю поверхность сильному нагреву, который обугливает поверхность для лучшего поглощения солнечного света.
Во время работы устройство поглощает солнечную энергию и всасывает соленую воду через естественные каналы древесины шириной в микрон. Соль самопроизвольно переходит из этих крошечных каналов через естественные отверстия по бокам в гораздо более широкие просверленные каналы, а затем легко растворяется обратно в воду внизу.
«В лаборатории мы успешно продемонстрировали отличные противообрастающие свойства в широком диапазоне концентраций солей со стабильным парообразованием с эффективностью около 75%», - говорит Куанг.
«Используя натуральное дерево в качестве единственного исходного материала, солнечный испаритель, отбрасывающий соль, должен быть недорогим», - добавляет научный сотрудник Чаоджи Чен. Испарительный подход также эффективен для других пород древесины с аналогичными естественными каналами. В настоящее время исследователи оптимизируют свою систему для повышения эффективности, снижения капитальных затрат и интеграции с конденсатором пара для завершения цикла опреснения.
Лаборатория Ху также недавно разработала еще один прототип устройства с солнечным обогревом, в котором используется способность карбонизированной древесины поглощать и распределять солнечную энергию - это устройство создано для очистки разливов трудно собираемых тяжелых нефтепродуктов. «Наш карбонизированный древесный материал демонстрирует быстрое и эффективное поглощение сырой нефти, а также низкую стоимость и масштабируемый производственный потенциал», - говорит Куанг, ведущий автор исследования в области передовых функциональных материалов.
«Древесина - это интригующий материал с ее уникальной иерархически пористой структурой, а также возобновляемый, богатый и экономически эффективный ресурс», - говорит Ху. «В нашей лаборатории фундаментальное понимание биоматериалов (особенно дерева) позволяет нам достигать выдающихся характеристик, которые могут конкурировать с широко используемыми, но неэкологичными материалами».
Среди других проектов в его лаборатории созданы легкие и эффективные изоляционные материалы из нанодерева. Он также разработал «супердерево», которое в 12 раз прочнее и в 10 раз жестче, чем натуральное дерево, и потенциально может заменить сталь, титан или углеродное волокно в определенных областях применения, говорит он..