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Water

超高效的海水淡化

系统利用废热在一小时内生成足够一个成年人需求的饮用水

by Prachi Patel, special to C&EN
February 24, 2020 | APPEARED IN VOLUME 98, ISSUE 8

 

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Credit: Massachusetts Institute of Technology
在麻省理工学院的屋顶上、局部多云的条件下进行测试时,一个10厘米×10厘米的太阳能淡化装置可在4.5小时内从盐水中产生72毫升饮用水。在阳光充足的情况下,该设备每小时可净化5.8升水。

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使用阳光将海水去盐的便携式设备可以为偏远或干旱地区的人们提供负担得起的饮用水。但是太阳能脱盐技术效率低下。研究人员现在发布了一种超高效的多级海水淡化系统,可在阳光充足的条件下每小时产生5.8升淡水,几乎是过去的类似设备所生成水量的三倍(Energy Environ。Sci。2020,DOI:10.1039/C9EE04122B)。

依赖水处理膜的常规脱盐设备价格昂贵,或消耗大量能量。太阳能热脱盐是一种较经济的选择,但效率低下,需要巨大的抛物面镜将光聚焦在海水上才能将其蒸发。两种技术都不适合偏远地区或资源匮乏的地区。便携式太阳能淡化设备解决了这个问题,通常使用较便宜的日光吸收材料来加热和蒸发海水。蒸汽收集在冷凝器中,产生淡水。最好的系统可以利用超过90%的太阳能量来产生水蒸汽。

现在,麻省理工学院的Evelyn Wang、上海交通大学的Ruzhu Wang及同事们开发了一个多级系统,在理想条件下进行测试时,其效率达到了385%,远远超越了之前的技术。该技术的关键是重复利用当水蒸气冷凝为液体时释放的热量。蒸汽冷凝所释放的能量通常是浪费的,而这是首个将其巧妙利用的系统。

该设备内有10个同样的3D打印的尼龙框架,垂直堆叠并放置在储水箱顶部。每个框架上都有作为蒸发器的纸巾和作为冷凝器的铝膜。在框架的朝阳面,研究人员放置了一个黑色的太阳能吸收器,加热并蒸发水,蒸汽被吸收到纸巾中。当蒸汽凝结在铝膜上时,释放的热量被传导到下一层纸巾层,该过程在框架结构中重复进行。Wang的研究生Lenan Zhang说,这种多阶段方法已在大型太阳能热淡化工厂中使用。“我们将这个想法转化为了便携式设计。”

在实验室中,这个10厘米×10厘米的设备每小时生成了5.8升水。在非理想条件—夏季麻省理工学院的屋顶上,该设备的性能降低,约50%,原因是偶尔有云和风。在屋顶上,该设备在4.5小时内产生了72毫升水。为满足一个成年人或一个小家庭的日常平均水需求,可以创建一系列多级设备,Zhang表示。

该团队现在希望优化设备并进一步降低材料成本。Zhang说,原型机现在的成本约为1.50美元,但其中70%的成本是3D打印的尼龙框架,因此仍有改进的空间。

休斯敦大学的机械工程师Hadi Ghasemi表示,这是一种高效且具有成本效益的太阳能淡化方法。 “这项工作使太阳能热定位的概念更接近大规模实施。”他说,使用具有防污特性的不同芯吸材料将有助于保持设备的长期稳定性能。

本文由Nina Sun为C&EN译为中文。英文原文在此

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