Hệ thống chạy bằng năng lượng mặt trời từ MIT cung cấp một lộ trình để khử mặn không tốn kém

Hệ thống bốc hơi năng lượng mặt trời thụ động có thể được sử dụng để làm sạch nước thải, cung cấp nước uống được hoặc khử trùng các dụng cụ y tế ở các khu vực không có lưới điện.

Ước tính khoảng 2/3 nhân loại bị ảnh hưởng bởi tình trạng thiếu nước, và nhiều khu vực như vậy ở các nước đang phát triển cũng phải đối mặt với tình trạng thiếu điện đáng tin cậy. Do đó, các nỗ lực nghiên cứu rộng rãi đã tập trung vào các cách khử muối trong nước biển hoặc nước lợ chỉ sử dụng nhiệt mặt trời. Tuy nhiên, nhiều nỗ lực như vậy đã gặp phải vấn đề với việc bám bẩn thiết bị do muối tích tụ, điều này thường làm tăng thêm sự phức tạp và tốn kém.

Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại MIT và ở Trung Quốc đã đưa ra giải pháp cho vấn đề tích tụ muối – và trong quá trình này, đã phát triển một hệ thống khử muối hiệu quả hơn và ít tốn kém hơn so với các phương pháp khử mặn bằng năng lượng mặt trời trước đây. Quy trình này cũng có thể được sử dụng để xử lý nước thải bị ô nhiễm hoặc tạo ra hơi nước để khử trùng dụng cụ y tế, tất cả đều không yêu cầu bất kỳ nguồn điện nào ngoài ánh sáng mặt trời.

Các phát hiện được mô tả trên tạp chí Nature Communications , trong một bài báo được xuất bản vào ngày 14 tháng 2 năm 2022, bởi nghiên cứu sinh MIT Lenan Zhang, postdoc Xiangyu Li, giáo sư kỹ thuật cơ khí Evelyn Wang, và bốn người khác.

Wang nói: “Đã có rất nhiều minh chứng về các thiết kế bay hơi dựa trên năng lượng mặt trời, loại bỏ muối, hiệu suất thực sự cao của các thiết bị khác nhau. “Thách thức là vấn đề tắc nghẽn muối mà mọi người chưa thực sự giải quyết. Vì vậy, chúng ta thấy những con số hiệu suất rất hấp dẫn này, nhưng chúng thường bị hạn chế vì tuổi thọ. Theo thời gian, mọi thứ sẽ hôi ”.

Nhiều nỗ lực trong hệ thống khử muối bằng năng lượng mặt trời dựa vào một số loại bấc để hút nước mặn qua thiết bị, nhưng những bấc này dễ bị tích tụ muối và tương đối khó làm sạch. Thay vào đó, nhóm đã tập trung vào việc phát triển một hệ thống không có bấc. Kết quả là một hệ thống phân lớp, với vật liệu tối ở trên cùng để hấp thụ nhiệt của mặt trời, sau đó là một lớp nước mỏng bên trên một lớp vật liệu đục lỗ, nằm trên đỉnh một bể chứa nước mặn sâu như bể hoặc ao. Sau khi tính toán và thử nghiệm cẩn thận, các nhà nghiên cứu đã xác định kích thước tối ưu cho các lỗ được khoan qua vật liệu đục lỗ, trong các thử nghiệm của họ được làm bằng polyurethane. Với chiều ngang 2,5 mm, những lỗ này có thể dễ dàng được tạo ra bằng cách sử dụng các vòi phun nước thông dụng.

Các lỗ này đủ lớn để cho phép lưu thông đối lưu tự nhiên giữa lớp nước ấm hơn bên trên và tầng chứa lạnh hơn bên dưới. Sự tuần hoàn đó tự nhiên hút muối từ lớp mỏng bên trên xuống phần nước lớn hơn nhiều bên dưới, nơi nó trở nên loãng và không còn là vấn đề nữa. Wang, Giáo sư Kỹ thuật của Ford và là người đứng đầu Khoa Cơ khí cho biết: “Nó cho phép chúng tôi đạt được hiệu suất cao và đồng thời ngăn chặn sự tích tụ muối này.

Li nói rằng ưu điểm của hệ thống này là “cả hiệu suất cao và hoạt động đáng tin cậy, đặc biệt là trong các điều kiện khắc nghiệt, nơi chúng tôi thực sự có thể làm việc với nước mặn gần bão hòa. Và điều đó có nghĩa là nó cũng rất hữu ích cho việc xử lý nước thải ”.

Ông cho biết thêm rằng nhiều nghiên cứu về khử muối bằng năng lượng mặt trời như vậy đã tập trung vào các vật liệu mới. “Nhưng trong trường hợp của chúng tôi, chúng tôi sử dụng các vật liệu thực sự rẻ tiền, gần như gia dụng”. Ông nói, điều quan trọng là phân tích và hiểu được dòng đối lưu thúc đẩy hệ thống hoàn toàn thụ động này. “Mọi người nói rằng bạn luôn cần những vật liệu mới, những thứ đắt tiền, hoặc những cấu trúc phức tạp hoặc những cấu trúc nguy hiểm để làm được điều đó. Và đây, tôi tin rằng, đây là chiếc đầu tiên làm được điều này mà không có cấu trúc bấc. “

Cách tiếp cận mới này “cung cấp một con đường đầy hứa hẹn và hiệu quả để khử muối các giải pháp có độ mặn cao, và có thể là một yếu tố thay đổi cuộc chơi trong quá trình khử mặn nước bằng năng lượng mặt trời,” Hadi Ghasemi, giáo sư kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học tại Đại học Houston, người không liên quan cho biết. với tác phẩm này. Ông cho biết thêm: “Cần phải làm thêm để đánh giá khái niệm này trong các môi trường rộng lớn và lâu dài.

Zhang giải thích, khi không khí nóng tăng lên và không khí lạnh giảm xuống, sự đối lưu tự nhiên thúc đẩy quá trình khử muối trong thiết bị này. Trong lớp nước hạn chế gần phía trên, “sự bay hơi xảy ra ở mặt phân cách trên cùng. Vì có muối, tỷ trọng của nước ở bề mặt trên cùng cao hơn, và nước ở dưới cùng có tỷ trọng thấp hơn. Vì vậy, đây là một động lực ban đầu cho sự đối lưu tự nhiên này bởi vì mật độ cao hơn ở phía trên thúc đẩy chất lỏng mặn đi xuống. ” Nước bốc hơi từ đỉnh của hệ thống sau đó có thể được thu lại trên bề mặt ngưng tụ, cung cấp nước ngọt tinh khiết.

Việc loại bỏ muối vào nước bên dưới cũng có thể làm mất nhiệt trong quá trình này, vì vậy việc ngăn chặn điều đó đòi hỏi kỹ thuật cẩn thận, bao gồm cả việc làm lớp đục lỗ bằng vật liệu cách nhiệt cao để giữ nhiệt tập trung ở trên. Việc sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời ở trên cùng được thực hiện thông qua một lớp sơn đen đơn giản.

Cho đến nay, nhóm đã chứng minh khái niệm sử dụng các thiết bị nhỏ để bàn, vì vậy bước tiếp theo sẽ là bắt đầu mở rộng quy mô lên các thiết bị có thể có ứng dụng thực tế. Dựa trên tính toán của họ, một hệ thống với diện tích thu gom chỉ 1 mét vuông (khoảng một mét vuông) sẽ đủ để cung cấp nhu cầu nước uống hàng ngày của một gia đình. Zhang cho biết họ đã tính toán rằng các vật liệu cần thiết cho một thiết bị 1 mét vuông sẽ chỉ tốn khoảng 4 đô la.

Li cho biết, thiết bị thử nghiệm của họ hoạt động trong một tuần mà không có dấu hiệu tích tụ muối. Và thiết bị ổn định một cách đáng kể. Ông nói: “Ngay cả khi chúng tôi áp dụng một số nhiễu loạn cực độ, như sóng trên mặt nước biển hoặc hồ”, nơi một thiết bị như vậy có thể được lắp đặt như một bệ nổi, thì “nó có thể trở lại vị trí cân bằng ban đầu rất nhanh”.

Zhang cho biết, công việc cần thiết để biến khái niệm bằng chứng quy mô phòng thí nghiệm này thành các thiết bị thương mại khả thi và để cải thiện tốc độ sản xuất nước tổng thể, sẽ có thể thực hiện được trong vòng vài năm tới. Các ứng dụng đầu tiên có khả năng là cung cấp nước an toàn ở các vị trí xa ngoài lưới điện, hoặc để cứu trợ thiên tai sau bão, động đất hoặc sự gián đoạn khác của nguồn cung cấp nước thông thường.

Zhang nói thêm rằng “nếu chúng ta có thể tập trung ánh sáng mặt trời một chút, chúng ta có thể sử dụng thiết bị thụ động này để tạo ra hơi nước nhiệt độ cao để khử trùng y tế” cho các vùng nông thôn không có lưới điện.

Wang nói: “Tôi nghĩ cơ hội thực sự là thế giới đang phát triển. “Tôi nghĩ rằng đó là nơi có khả năng xảy ra tác động ngắn hạn nhất, vì sự đơn giản của thiết kế.” Tuy nhiên, cô ấy nói thêm, “nếu chúng tôi thực sự muốn đưa nó ra khỏi đó, chúng tôi cũng cần phải làm việc với người dùng cuối, để thực sự có thể áp dụng cách chúng tôi thiết kế nó để họ sẵn sàng sử dụng nó.”

Peng Wang, giáo sư tại Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah ở Ả Rập Xê Út, người không liên quan đến nghiên cứu này cho biết: “Đây là một chiến lược mới nhằm giải quyết vấn đề tích tụ muối trong quá trình bốc hơi mặt trời. “Thiết kế trang nhã này sẽ truyền cảm hứng cho những sáng tạo mới trong thiết kế các thiết bị bay hơi năng lượng mặt trời tiên tiến. Chiến lược này rất hứa hẹn do hiệu quả năng lượng cao, độ bền vận hành và chi phí thấp, góp phần khử mặn nước thụ động và chi phí thấp để sản xuất nước ngọt từ các nguồn nước khác nhau có độ mặn cao, ví dụ như nước biển, nước mặn hoặc nước ngầm lợ . ”

Tham khảo: “Hiệu quả cao và loại bỏ muối từ mặt trời bốc hơi qua lớp nước hạn chế không có bấc” của Lenan Zhang, Xiangyu Li, Yang Zhong, Arny Leroy, Zhenyuan Xu, Lin Zhao và Evelyn N. Wang, ngày 14 tháng 2 năm 2022, Nature Communications .
DOI: 10.1038 / s41467-022-28457-8

Nhóm nghiên cứu cũng bao gồm Yang Zhong, Arny Leroy và Lin Zhao tại MIT, và Zhenyuan Xu tại Đại học Giao thông Thượng Hải ở Trung Quốc. Công trình được hỗ trợ bởi Liên minh Nghiên cứu và Công nghệ Singapore-MIT, Quỹ Hợp tác Khoa học và Công nghệ Hoa Kỳ-Ai Cập, và sử dụng các cơ sở vật chất do Quỹ Khoa học Quốc gia hỗ trợ.

Theo Scitechdaily