Теперь команда исследователей из Массачусетского технологического института и в Китае нашла решение проблемы накопления соли - и в процессе разработала систему опреснения, которая является одновременно более эффективной и менее дорогой, чем предыдущие методы солнечного опреснения. Этот процесс также может быть использован для очистки загрязненных сточных вод или для выработки пара для стерилизации медицинских инструментов, и все это без использования какого-либо источника энергии, кроме самого солнечного света.

Полученные результаты описаны сегодня в журнале Сообщения о природе, в статье аспиранта Массачусетского технологического института Ленана Чжана, постдока Сянъю Ли, профессора машиностроения Эвелин Ван и четырех других.

"Было проведено множество демонстраций действительно высокопроизводительных конструкций различных устройств для испарения солей, основанных на солнечной энергии", - говорит Ван. "Проблемой была проблема загрязнения солью, которую люди на самом деле не решали. Итак, мы видим эти очень привлекательные показатели производительности, но они часто ограничены из-за долговечности. Со временем все испортится".

Многие попытки солнечных систем опреснения воды основаны на использовании какого-либо фитиля для пропускания соленой воды через устройство, но эти фитили подвержены накоплению соли и их относительно трудно чистить. Вместо этого команда сосредоточилась на разработке системы без фитилей. В результате получается многослойная система с темным материалом наверху для поглощения солнечного тепла, затем тонкий слой воды поверх перфорированного слоя материала, расположенного поверх глубокого резервуара с соленой водой, такого как резервуар или пруд. После тщательных расчетов и экспериментов исследователи определили оптимальный размер отверстий, просверленных в перфорированном материале, который в их тестах был изготовлен из полиуретана. При диаметре 2,5 миллиметра эти отверстия можно легко проделать с помощью обычных водяных струй.

Отверстия достаточно большие, чтобы обеспечить естественную конвективную циркуляцию между более теплым верхним слоем воды и более холодным резервуаром внизу. Эта циркуляция естественным образом вытягивает соль из тонкого слоя сверху вниз в гораздо больший объем воды внизу, где она становится хорошо разбавленной и больше не представляет проблемы. "Это позволяет нам достигать высокой производительности и в то же время предотвращать накопление солей", - говорит Ван, профессор инженерного дела Ford и заведующий кафедрой машиностроения.

Ли говорит, что преимуществами этой системы являются "как высокая производительность, так и надежная работа, особенно в экстремальных условиях, когда мы действительно можем работать с соленой водой, близкой к насыщению. А это значит, что он также очень полезен для очистки сточных вод".

Он добавляет, что большая часть работ по такому опреснению на солнечной энергии была сосредоточена на новых материалах. "Но в нашем случае мы используем действительно недорогие, почти бытовые материалы". Ключевым моментом был анализ и понимание конвективного потока, который приводит в действие эту полностью пассивную систему, говорит он. "Люди говорят, что для этого всегда нужны новые материалы, дорогие, сложные конструкции или влагоотводящие конструкции. И это, я полагаю, первое устройство, которое делает это без впитывающих структур ".

Этот новый подход "обеспечивает многообещающий и эффективный способ опреснения растворов с высокой соленостью и может изменить правила игры в опреснении воды на солнечной энергии", - говорит Хади Гасеми, профессор химической и биомолекулярной инженерии в Университете Хьюстона, который не был связан с этой работой. "Требуется дальнейшая работа для оценки этой концепции в больших масштабах и в долгосрочной перспективе", - добавляет он.

Чжан объясняет, что точно так же, как горячий воздух поднимается, а холодный опускается, естественная конвекция управляет процессом опреснения в этом устройстве. В ограниченном слое воды вблизи верха "испарение происходит на самой верхней границе раздела. Из-за соли плотность воды на самой верхней границе раздела выше, а нижняя вода имеет меньшую плотность. Таким образом, это оригинальная движущая сила для этой естественной конвекции, потому что более высокая плотность в верхней части заставляет соленую жидкость опускаться вниз ". Вода, испаряющаяся с верхней части системы, затем может собираться на поверхности конденсации, обеспечивая чистую пресную воду.

Попадание соли в воду снизу также может привести к потере тепла в процессе, поэтому для предотвращения этого требуется тщательное проектирование, в том числе изготовление перфорированного слоя из высокоизолирующего материала, чтобы тепло концентрировалось наверху. Солнечный нагрев в верхней части осуществляется с помощью простого слоя черной краски.

На данный момент команда доказала концепцию, используя небольшие настольные устройства, поэтому следующим шагом будет начало масштабирования до устройств, которые могли бы иметь практическое применение. По их расчетам, системы с площадью сбора всего 1 квадратный метр (около квадратного ярда) должно быть достаточно для обеспечения ежедневных потребностей семьи в питьевой воде, говорят они. Чжан говорит, что они подсчитали, что необходимые материалы для устройства площадью 1 квадратный метр обойдутся всего в около 4 долларов.

По словам Ли, их тестовый аппарат работал в течение недели без каких-либо признаков накопления соли. И устройство удивительно стабильно. "Даже если мы применим какое-то экстремальное возмущение, например, волны на морской воде или озере", где такое устройство можно было бы установить в качестве плавучей платформы, "оно может очень быстро вернуться в исходное положение равновесия", - говорит он.

По словам Чжана, необходимая работа по воплощению этой лабораторной концепции в работоспособные коммерческие устройства и по улучшению общего уровня производства воды должна стать возможной в течение нескольких лет. Первое применение, вероятно, будет заключаться в обеспечении безопасной водой в отдаленных местах, отключенных от электросети, или для ликвидации последствий стихийных бедствий после ураганов, землетрясений или других сбоев в нормальном водоснабжении.

Чжан добавляет, что "если мы сможем немного сконцентрировать солнечный свет, мы могли бы использовать это пассивное устройство для генерации высокотемпературного пара для медицинской стерилизации" в сельских районах, не подключенных к электросети.

"Я думаю, что реальная возможность - это развивающийся мир", - говорит Ван. "Я думаю, что именно здесь наиболее вероятно влияние в ближайшей перспективе из-за простоты дизайна". Но, добавляет она, "если мы действительно хотим вывести это на рынок, нам также нужно работать с конечными пользователями, чтобы действительно иметь возможность перенять то, как мы это разрабатываем, чтобы они были готовы это использовать".

В команду также входили Ян Чжун, Арни Лерой и Линь Чжао из Массачусетского технологического института, а также Чжэньюань Сюй из Шанхайского университета Цзяо Тун в Китае. Работа была поддержана Сингапурско-Массачусетским технологическим альянсом по исследованиям и технологиям, Совместным фондом науки и технологий США и Египта и использовала средства, поддерживаемые Национальным научным фондом.