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从海水中提取淡水只使用太阳能 模块化离网脱盐技术

科技 2020-03-05 10:21:18

一项由联邦政府资助的研究,旨在彻底改变水处理,已经产生了一种离网技术,它只利用阳光下的能量将盐水变成新鲜的饮用水。海水淡化系统采用膜蒸馏技术和捕光纳米光子技术相结合的方法,是基于赖斯大学的多机构工程研究中心“纳米技术赋能水处理中心”(NEWT)的第一项重大创新。

NEWT的“纳米光子技术支持的太阳膜蒸馏”技术,即NESMD,结合了尝试和真实的水处理方法和尖端的纳米技术,将阳光转化为热量。 这项技术将在本周的《国家科学院院刊》上在线描述。

超过18,000个海水淡化厂在150个国家运行,但NEWT的海水淡化技术不同于今天使用的任何其他技术。

这项研究的相应作者、赖斯科学家和水处理专家李启林说:“直接太阳能海水淡化可能会改变约10亿缺乏清洁饮用水的人的处境。” “这种离网技术能够提供足够的清洁用水,供家庭在紧凑的足迹中使用,并且可以扩大规模,为更大的社区提供水。

用盐水制造淡水的最古老的方法是蒸馏。盐水煮沸,蒸汽被捕获并通过冷凝线圈运行。蒸馏已经使用了几个世纪,但它需要复杂的基础设施,并且由于煮沸水和产生蒸汽所需的热量,能量效率低下。经营一家水蒸馏厂的一半以上的成本是为了能源。

一种新兴的脱盐技术是膜蒸馏,其中热盐水流经多孔膜的一侧,冷淡水流经另一侧。水蒸气通过膜自然地从热到冷,由于海水不需要煮沸,能量需求比传统蒸馏所需的要少。然而,能量成本仍然很大,因为热量从膜的热侧持续流失到寒冷。

“与传统的膜蒸馏不同,NESMD受益于随着规模的增加而提高效率,”Rice的作者Naomi Halas说。「最佳馏出物转化所需的最小抽运能量,我们有多种方法可进一步优化该技术,使其更具生产力和效率。」

NEWT的这项新技术建立在Halas实验室的研究基础上,旨在创造出经过工程设计的纳米粒子,这种纳米粒子可以获得高达80%的阳光来产生蒸汽。通过在多孔膜中添加低成本、商业上可用的纳米粒子,NEWT实质上已经将膜本身变成了一个单面加热元件,单独加热水来驱动膜蒸馏。

耶鲁大学的Menachem“Meny”Elimelech说:“将光热加热能力集成到水净化膜中,用于直接的、太阳能驱动的海水淡化,为水净化带来了新的机遇。”这项新研究的合著者、NEWT的膜过程首席研究员。

在PNAS的研究中,研究人员提供了基于NESMD室的测试的概念证明结果,其大小约为三枚邮票,厚度仅为几毫米。蒸馏室中的蒸馏膜包含一层特殊设计的炭黑纳米粒子注入多孔聚合物。当暴露在阳光下时,光捕获纳米粒子加热了整个膜表面。一层细半毫米厚的盐水在炭黑层上流动,一条凉爽的淡水流在下面。

莱斯NEWT深度处理试验台的负责人李说,通过集中阳光,产水率大大提高。 当使用透镜将阳光集中25倍时,强度上升到每米平方17.5千瓦,产水量增加到每小时每米平方6升。

李说,NEWT的研究团队已经制作了一个更大的系统,其中包含一个大约70厘米乘25厘米的面板。她说,最终,NEWT希望生产一个模块化系统,用户可以根据日常用水需求订购尽可能多的面板。

她说:“你们可以把这些组装在一起,就像你们在太阳能农场里组装电池板一样。“根据你需要的水产率,你可以计算出你需要多少膜面积。例如,如果你每小时需要20升,而面板每平方米每小时产生6升,你就会订购超过3平方米的面板。”

由国家科学基金会于2015年成立的NEWT旨在开发紧凑、移动、离网的水处理系统,这些系统能够为数百万缺乏清洁水的人提供清洁水,并使美国的能源生产更具可持续性和成本效益。NEWT预计在未来十年内将获得超过4000万美元的联邦和工业支持,它是休斯顿的第一个NSF工程研究中心(ERC),也是NSF自1985年开始ERC计划以来在德克萨斯州仅有的第三个。该网络的重点是人道主义应急、农村供水系统和废水处理以及偏远地点的再利用,包括陆上和海上石油和天然气勘探钻井平台的应用。

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