Zespół naukowców z Chin i Singapuru wydrukował w 3D urządzenie, które jest w stanie wykorzystać ciepło pozyskane z promieni słonecznych, aby woda morska była bezpieczna do picia.
Oparty na drukowanym w 3D rdzeniu ceramicznym, nowatorski oczyszczacz wody morskiej ma zintegrowany pochłaniacz światła słonecznego, izolator termiczny i transporter wody, co umożliwia gromadzenie i odsalanie wody. Dzięki sprawności konwersji na poziomie 98% urządzenie spełnia również standardy Światowej Organizacji Zdrowia (WHO), co potencjalnie czyni go idealnym sposobem do rozwiązywania problemów związanych z niedoborami wody na świecie w zrównoważony i energooszczędny sposób.
Zwalczanie suszy poprzez odsalanie
Wzrost liczby ludności na świecie i zmiana klimatu zaczyna stwarzać nowe wyzwania, dostęp do bezpiecznej wody pitnej staje się coraz trudniejszy w biedniejszych regionach świata. W międzyczasie oceany na Ziemi stanowią około 70% powierzchni planety, a tylko 2,5% całkowitej wody na świecie to woda słodka, co sprawia, że technologia oczyszczania wody morskiej jest potencjalnym rozwiązaniem problemu globalnego niedoboru wody.
Mimo, że obecnie istnieje szereg urządzeń do odwróconej osmozy, destylacji i odsalania na bazie wymiany jonowej, to ich wysoki koszt i zużycie energii często sprawiają, że są one niedostępne dla krajów rozwijających się. Aby zapewnić ludziom dostęp do oczyszczania wody, niezbędne są mniejsze, rozproszone i energooszczędne technologie, dlatego naukowcy coraz częściej tworzą prototypy urządzeń zasilanych energią słoneczną jako zrównoważonej alternatywy.
Wiele projektów dowiodło wykonalności wykorzystania światła słonecznego do oczyszczania wody morskiej, jednak często są one produkowane masowo z ograniczoną kontrolą nad ich strukturą, co powoduje niską wydajność cieplną. Aby umożliwić wyższy współczynnik konwersji energii słonecznej na parę, naukowcy wykorzystali drukowanie 3D jako sposób na wytworzenie bardziej wydajnego cieplnie urządzenia, które jest w stanie odparować chemikalia w szybszym tempie.
Absorpcja energii słonecznej na bazie ceramiki
Wykorzystując drukowanie 3D w technologii robocasting, naukowcy byli w stanie wyprodukować wielofunkcyjny, porowaty absorber słoneczny oparty na siatce ceramicznej. Dzięki nieodłącznym właściwościom izolacyjnym materiału uzyskana część okazała się zdolna do pełnienia funkcji transportera wody, izolatora i ogólnej podstawy urządzenia, na której można było zamontować absorber grafenowy do zbierania energii słonecznej.
Dzięki precyzyjnemu dostrojeniu złożonego elementu ceramicznego naukowcy byli również w stanie wyposażyć go w mikrokanały, umożliwiające kierowanie wody wokół urządzenia i utrzymanie ogólnej szybkości wytwarzania pary. W rezultacie całkowicie zamknięte urządzenie zespołu ostatecznie wykazało zdolność skupiania ciepła słonecznego na absorberze bez rozpraszania ciepła i osiągnięcia szybkiego cyklu samopodtrzymującego się parowania słonecznego.
Co ciekawe, podczas wstępnych testów naukowcy odkryli, że mogą jeszcze bardziej zoptymalizować wydajność swojego urządzenia, zwiększając rozstaw oczek absorbera w celu zwiększenia prędkości przepływu wody. Dodatkowo, umieszczając absorber odsalacza bezpośrednio na porowatej podstawie, nie pozwalając mu na kontakt ze zbiornikiem wody, zespół był w stanie zmniejszyć wszelkie straty ciepła.
Podczas późniejszych eksperymentów na świeżym powietrzu urządzenie naukowców wytwarzało świeżą wodę z szybkością 0,5 litra na godzinę, usuwając jednocześnie sód, magnez i potas w stężeniach wystarczających do spełnienia standardów WHO. W porównaniu z pochłaniaczami wody na bazie bawełny, naukowcy odkryli również, że ich roztwór ceramiczno-grafenowy odparowuje minerały ponad dwa razy szybciej, przy efektywności przenikania pary wodnej do 98%.
Ostatecznie, biorąc pod uwagę szybkość i skuteczność odrzucania jonów przez ich urządzenie, zespół doszedł do wniosku, że ogólne podejście zakończyło się sukcesem, a wraz z dalszym rozwojem konstrukcji parownika uważają, że technologia może „okazać się użyteczna” w zwiększaniu wydajności komercyjnych słonecznych generatorów pary w przyszłości.
„Woda zebrana [podczas testów] spełniała standardy wody pitnej pod względem zanieczyszczeń chemicznych” – podsumowali naukowcy w artykule. „Dzięki takim atrybutom, jak wytrzymałość, trwałość, nietoksyczność i właściwością przeciwporostowym, koncepcja wydajnego, drukowanego w 3D, ceramicznego urządzenia do odsalania wody, może otworzyć drzwi do bardziej zrównoważonej i bardziej ekologicznej produkcji czystej wody”.
Źródło: pubs.acs.org
