Пруды-испарители, которые обычно используются во многих отраслях промышленности для удаления сточных вод, могут занимать акры, занимая большую площадь и часто создавая опасность для птиц и других диких животных. Тем не менее, они представляют собой экономичный способ обращения с загрязненной водой, поскольку они используют естественное испарение под солнечным светом, чтобы превратить большие объемы грязной воды в гораздо меньшие объемы твердых отходов.
Теперь исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) продемонстрировали способ удвоить скорость испарения за счет использования солнечной энергии и свойств, присущих воде. Об исследовании, проведенном учеными из лаборатории Беркли Аканкшей Менон и Рави Прашером, сообщается сегодня в журнале Nature Sustainability.
Пруды-испарители используются на электростанциях, опреснительных установках, в нефтегазовой промышленности, а также для извлечения лития, при котором богатая литием рассол закачивается в огромные искусственные соляные пруды. Они распространены в Китае, Австралии, Европе, на Ближнем Востоке и в некоторых частях Соединенных Штатов, где климат подходит (засушливый или полузасушливый с большим количеством солнечного света), и эти пруды могут быть размером с сотни футбольных мячей. поля, многие из которых сидят бок о бок.
"Это большая социальная проблема, которую мы пытаемся решить. Чтобы избавиться от сточных вод или извлечь ценную соль, такую как литий, вам необходимо резко и масштабируемо увеличить скорость испарения", сказал Прашер, эксперт в области тепловой энергии, который также является заместителем директора лаборатории энергетических технологий Беркли.«Если бы мы могли это сделать, это могло бы уменьшить их воздействие на окружающую среду за счет уменьшения количества необходимой земли».
Для максимального извлечения воды из промышленных сточных вод и соляных растворов для опреснения была предпринята попытка добиться «нулевого сброса жидкости», чтобы конечные отходы были твердыми. Процесс включает в себя ряд этапов обработки, и последним этапом часто является пруд-испаритель. Менон, научный сотрудник лаборатории Беркли, отмечает, что было предложено много идей по использованию солнечной энергии для ускорения испарения.
«За последние пять лет было опубликовано несколько статей, - сказала она. «В большинстве из них используются поглощающие солнечный свет структуры, которые плавают на поверхности воды, как черная губка, для локализации тепла, поскольку испарение - это поверхностное явление».
К сожалению, такие пористые структуры имеют тенденцию забиваться теми самыми загрязнениями, которые они пытаются отделить. «Поэтому со временем производительность плавающих поглотителей резко падает», - сказал Менон.«Иногда соли прилипают к поверхности и отражают солнечный свет, а не поглощают его».
Преобразование длины волны солнечного света
Исследователи из лаборатории Беркли искали решение, позволяющее избежать таких проблем. «Мы поняли, если посмотреть на свойства воды, что она имеет очень сильное поглощение в среднем инфракрасном диапазоне длин волн», - сказал Менон. «Если вы направите свет среднего инфракрасного диапазона на воду, она настолько сильно поглотит его, что сохранит все это тепло в очень тонком слое».
Команда решила создать устройство, которое они сравнивают с «радиационным преобразователем», который берет энергию солнечного света в диапазоне от 400 до 1500 нанометров и преобразует ее в 3000 нанометров или больше, что в средний инфракрасный диапазон.
Ученые из лаборатории Беркли продемонстрировали концепцию в лаборатории, используя насыщенный раствор поваренной соли. В их эксперименте их устройство-прототип увеличило скорость испарения более чем на 100% по сравнению с естественным испарением. Они добавляют, что есть возможность увеличить испарение на 160 % за счет оптимизации тепловой конструкции.
Их фототермическое устройство - плоский лист, который выборочно поглощает солнечную энергию с одной стороны и излучает энергию в среднем инфракрасном диапазоне с другой - расположен над водой в пруду-испарителе, как зонтик. «На участке может быть множество таких солнечных зонтов, которые, вероятно, стоят на столбах для палаток примерно в футе или около того над водой», - сказал Менон..
Исследователи отметили, что такие солнечные зонтики могут также играть роль в опреснительных установках, которые появляются в качестве решения для растущего спроса на воду во всем мире, но утилизация побочного продукта - концентрированного рассола - остается проблемой. Лаборатория Беркли возглавляет Национальный альянс водных инноваций (NAWI), который ранее в этом году получил от Министерства энергетики США 100-миллионный центр опреснения воды и энергии..
«Если вы собираетесь проводить крупномасштабное опреснение, одна из самых больших проблем заключается в том, чтобы придумать масштабируемые технологии», - сказал Прашер.«Потенциально это масштабируемая технология сброса нулевой жидкости, которая не требует энергии, поскольку основана на солнечной энергии».
Прашер сказал, что следующая команда хочет работать в двух направлениях. Во-первых, провести технико-экономический анализ как извлечения лития, так и сброса нулевой жидкости для опреснительных установок, чтобы лучше понять затраты. Во-вторых, рассмотреть возможность изготовления устройства из полимера или другого материала, чтобы еще больше снизить стоимость.