Без питьевой воды нет жизни. Тем не менее, почти 1,1 миллиарда человек во всем мире не имеют доступа к пресной воде, а еще 2,4 миллиарда страдают от болезней, переносимых нечистой питьевой водой. Это связано с тем, что, хотя наука и предоставила передовые методы очистки воды, такие как мембранная дистилляция и обратный осмос, их часто трудно реализовать в развивающихся странах из-за их высокой стоимости и низкой производительности.
Более новая технология является многообещающей альтернативой для таких регионов мира: прямое солнечное производство пара (DSSG). DSSG включает сбор тепла от солнца для преобразования воды в пар, тем самым опресняя его или избавляя от других растворимых примесей. Затем пар охлаждают и собирают в виде чистой воды для использования.
Это простая технология, но ключевой этап — испарение — создает препятствия для ее коммерциализации. При существующей технологии производительность испарения достигла теоретического предела. Однако для практической реализации этого недостаточно. Были приняты меры по совершенствованию конструкции устройства для минимизации потерь солнечного тепла до того, как оно достигнет объема воды, рециркуляции скрытого тепла в воде, поглощения и использования энергии из окружающей среды и т. Д., Чтобы улучшить характеристики испарения сверх теоретических пределов и сделать эту технологию жизнеспособной.
В новой статье, опубликованной в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells, профессор Лей Мяо из Технологического института Шибаура, Япония, вместе с коллегами Сяоцзян Му, Юфэй Гу и Цзяньхуа Чжоу из Гуйлиньского университета электронных технологий, Китай, рассматривают стратегии, сформулированные в последние два года, чтобы превзойти этот теоретический предел.
Новаторской стратегией, является объемная система, которая вместо объемного нагрева использует суспензию благородных металлов или углеродных наночастиц для поглощения солнечной энергии, передачи тепла воде, окружающей эти частицы, и генерации пара. Хотя это увеличивает поглощенную энергию системы, происходит большая потеря тепла.
Для решения этой проблемы была разработана система "прямого контакта", в которой двухслойная структура с порами разного размера покрывает объем воды. Верхний слой с более крупными порами служит в качестве поглотителя тепла и пути выхода пара, а нижний слой с более мелкими порами используется для транспортировки воды из основной массы в верхний слой. В этой системе контакт между нагретым верхним слоем и водой является концентрированным, а потери тепла уменьшаются примерно до 15%.
Затем последовала система "непрямого контакта", которая еще больше снизила потери тепла, избегая контакта между поглотителем солнечной энергии и объемной водой. Это проложило путь к возможной разработке системы "одномерного водного пути", вдохновленной естественным процессом переноса воды в растениях, основанным на капиллярном действии. Эта система демонстрирует впечатляющую скорость испарения 4,11 кг м-2ч-1, что почти в три раза превышает теоретический предел, а также потери тепла всего на 7%.
За этим последовала техника управления впрыском, в которой контролируемое разбрызгивание воды в виде дождя на поглотитель солнечной энергии позволяет поглощать ее таким же образом, как и в почве. Это приводит к скорости испарения 2,4 кг м-2 ч-1 с эффективностью преобразования 99% солнечной энергии в водяной пар.
Параллельно с этим разрабатываются стратегии получения дополнительной энергии из окружающей среды или самой воды и рекуперации скрытой теплоты из высокотемпературного пара для улучшения скорости испарения. Также разрабатываются методы снижения энергии, необходимой в первую очередь для испарения, такие как гидратируемые и светопоглощающие аэрогели, полиуретановая губка с наночастицами сажи и древесина, покрытая углеродными точками (CD), чтобы удерживать солнечную энергию и воду. испариться.
Существует несколько других таких стратегий проектирования, и еще несколько будут в будущем. Еще предстоит решить многие важные проблемы, такие как сбор конденсированной воды, долговечность материалов и стабильность при наружных работах при колебаниях ветра и погодных условиях.
Тем не менее, темпы развития этой технологии заставляют надеяться на нее. Путь к практическому внедрению DSSG полон проблем, но, учитывая его преимущества, есть шанс, что он станет одним из передовых решений нашей растущей проблемы нехватки питьевой воды.