Инженеры из Массачусетского технологического института и Китая сотрудничают в разработке новаторского устройства для опреснения воды на солнечной энергии, вдохновленного океаническими процессами. Устройство использует опреснение для преобразования морской воды в питьевую. Эта система небольшая и производит от 4 до 6 литров питьевой воды в час. Удивительно, но она работает лучше и дешевле водопроводной воды, и исследователи используют этот подход в качестве выгодного для прибрежных районов, где доступ к традиционным источникам воды ограничен.
Согласно статье, опубликованной исследовательской группой, это пассивное устройство использует естественный солнечный свет для нагрева соленой воды. Конфигурация устройства позволяет воде циркулировать в вихревых потоках, подобно термохалинной циркуляции в океане . Эта циркуляция, наряду с солнечным теплом, вызывает испарение воды, оставляя после себя соль. Испарившуюся воду можно конденсировать и собирать в виде чистой питьевой воды. Тем временем оставшаяся соль продолжает циркулировать внутри устройства, предотвращая ее накопление и засорение системы.
Новая система производит больше воды и удаляет больше соли, чем другие пассивные солнечные системы опреснения, находящиеся на стадии тестирования. В масштабе небольшого чемодана она может производить от 4 до 6 литров питьевой воды в час и служить несколько лет без необходимости замены деталей. При таких размерах и производительности система может производить питьевую воду дешевле, чем водопроводную.
Научный сотрудник Лаборатории исследований устройств Массачусетского технологического института Ленан Чжан заявил: «Впервые стало возможным сделать воду, полученную с помощью солнечного света, даже дешевле водопроводной».
Чжан сотрудничал с аспирантом Массачусетского технологического института Ян Чжуном , Эвелин Ван (профессором инженерных наук имени Форда) и несколькими исследователями из Шанхайского университета Цзяотун в Китае.
Команда хочет создать более крупную версию устройства, способную производить питьевую воду для небольшой семьи . Это устройство также можно будет использовать в прибрежных районах, не имеющих доступа к традиционному водоснабжению.
См. также : Как переработать рисовые гранулы для изготовления водонепроницаемой древесины
Усиление процесса конвекции
Это была не первая их попытка разработать опреснительное устройство для этой цели.
Устройство №1
Команда усовершенствовала предыдущую конструкцию , создав новую систему. Они протестировали эту конструкцию на крыше здания Массачусетского технологического института, и она эффективно преобразовывала солнечную энергию для производства питьевой воды. Однако остаточная соль в результате этого процесса накапливалась и засоряла систему через несколько дней.
Следующая система состоит из нескольких слоев, называемых ступенями, которые включают испаритель и конденсатор. Эти ступени используют тепло солнечного света для отделения соли от воды. В реальных условиях пользователю пришлось бы часто заменять ступени , что сделало бы систему более дорогой.
Устройство №2
В последующей версии конструкции было создано решение с аналогичным расположением слоев. Была введена новая функция, улучшающая циркуляцию поступающей воды и обеспечивающая полное удаление любых остатков соли. Эта конструкция предотвращала оседание и накопление соли на устройстве, но обессоливала воду медленно.
Устройство №3
Последняя версия проекта является высшим достижением. Команда успешно разработала систему, которая не только производит большое количество воды с высокой скоростью, но и обладает исключительной способностью отбрасывать соль. Это означает, что система не только эффективна, но и надежна, обеспечивая непрерывную подачу чистой питьевой воды в течение длительного периода времени.
Новая конструкция объединяет в себе лучшие черты двух предыдущих концепций : многоступенчатую систему с испарителями и конденсаторами, которая эффективно усиливает циркуляцию воды и соли на каждой ступени. Новая система создает небольшие циркуляции , напоминающие термохалинную конвекцию в океане. Это замечательное явление приводит в движение воду по всему миру, движимое изменениями температуры («термо») и солености («галинная»).
Ленан Чжан объясняет: «Когда морская вода соприкасается с воздухом, солнечный свет заставляет воду испаряться. После того, как вода покидает поверхность, соль остается. И чем выше концентрация соли, тем плотнее жидкость, и эта более тяжелая вода стремится течь вниз. Имитируя это явление, охватывающее километр, в небольшом объеме, мы можем использовать эту особенность для отвода соли».
Процесс
Исследователи поместили всю коробку под наклоном внутрь большего контейнера. Затем они подсоединили трубку от верхней части коробки до самого основания контейнера и, наконец, пустили контейнер в плавание в соленой воде.
В основе конструкции лежит изящная, тонкая коробчатая структура из темного материала, эффективно использующего тепло солнечного излучения. Она разделена на две отдельные секции : верхнюю и нижнюю.
- Верхняя половина Конструкция включает в себя специально разработанный испарительный слой на потолке, который использует энергию солнца для нагрева и испарения воды при контакте.
- После этого водяной пар перенаправляется в нижнюю часть короба.
- Здесь воздушный охлаждающий слой конденсирует пар, превращая его в чистую и безопасную жидкость, не содержащую соли.
Эта конструкция позволяет воде естественным образом подниматься вверх по трубе и попадать в коробку. Уникальное сочетание наклона коробки и тепловой энергии солнца не только вызывает завихрения воды при её движении, но и обеспечивает непрерывную циркуляцию соли за счёт образования небольших водоворотов, предотвращая её оседание и образование засоров.
Кроме того, эти вихревые движения способствуют контакту воды с верхним испаряющимся слоем, оптимизируя весь процесс.
Команда создала различные прототипы:
- Один с одной стадией
- Еще один с тремя ступенями
- Далее с 10 этапами
Они испытали эти прототипы в воде с разной степенью солености, включая природную морскую воду и воду, которая была в семь раз соленее.
На основе этих испытаний исследователи определили, что увеличение масштаба каждого этапа до одного квадратного метра позволит производить впечатляющие 5 литров питьевой воды в час. Еще более примечательно то, что эта система предназначена для опреснения воды без накопления соли в течение нескольких лет.
Помимо долговечности, система работает полностью без электричества, что делает её невероятно экономичной. Фактически, предполагаемая стоимость эксплуатации этой системы даже ниже, чем себестоимость производства водопроводной воды в Соединенных Штатах.
Ян Чжун говорит: «Мы показали, что это устройство способно обеспечить длительный срок службы. Это означает, что впервые питьевая вода, полученная с помощью солнечного света, может быть дешевле водопроводной. Это открывает возможности для решения реальных проблем с помощью солнечного опреснения».
Это исследование по превращению морской воды в питьевую путем опреснения проводится в Шанхайском университете Цзяотун и финансируется Фондом естественных наук Китая.
Источник : Системы опреснения воды могут производить пресную воду, которая дешевле водопроводной.
