Компактный дистиллятор за 1.5 доллара из аэрогеля, алюминия и бумажных полотенец

Наша планета во многом уникальна, особенно если сравнивать ее с соседями по Солнечной системе. Большую часть поверхности Земли, примерно 70%, занимают океаны, моря, реки и озера. Однако лишь малая доля из этих водных запасов являются пресными. Львиная же доля — морская и океаническая вода, которую можно пить только в том случае, если вы хотите схлопотать обезвоживание, проблемы с почками и очень любите перечитывать инструкцию освежителя воздуха в «комнате раздумий». Другими словами, от соленой воды при прямом ее употреблении будет больше вреда, чем пользы.

Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором группа ученых из Массачусетского технологического института (США) разработала устройство, позволяющее опреснять воду за счет солнечной энергии без какого-либо участия человека. В чем особенности изобретения, каков принцип его работы и насколько оно эффективно? Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.
 

Основа исследования

Несмотря на огромные водные запасы планеты, учитывая что лишь часть из них пригодна к употреблению, практически треть населения Земли страдает от нехватки питьевой воды. Использовать морскую воду в качестве источника пресной — самый логичный и относительно легкий в реализации способ решить эту глобальную проблему.

Как заявляют сами ученые, современные установки по опреснению воды работают достаточно эффективно, однако они обладают рядом весьма банальных недостатков. Одним из которых является их дороговизна и необходимость в развитой инфраструктуре, способной поддерживать работу столь сложного механизма.

Пассивные системы опреснения, которые используют солнечную энергию, также вполне эффективны. Но стоимость произведенной ими пресной воды достаточно высока, не говоря уже о низкой эффективности преобразования солнечной энергии в пресную воду.

В последнее время акцент разработок был поставлен на создание более эффективных пассивных систем. В рамках таких исследований удалось создать системы на базе локализации солнечного тепла. Однако эффективность преобразования солнечного излучения в пар ниже 100%, если энтальпия испарения* теряется в окружающей среде.

Энтальпия испарения* — количество теплоты, необходимое для преобразования жидкого вещества в газообразное.

Ученые считают, что ключом к повышению эффективности работы опреснительных систем может быть сбор и повторное использование энтальпии испарения. Эта идея уже была реализована в крупных дистилляционных установках. Однако с малогабаритными дистилляционными установками возникают определенные технологические трудности.

В ранее проведенных исследованиях уже были продемонстрированы компактные системы локализации солнечного тепла, которые повторно использовали энтальпию испарения для выработки электроэнергии, преобразования морской воды в пар или для того и другого. Однако существует теория, что эффективность таких механизмов может быть гораздо выше, чем есть сейчас.

Авторы рассматриваемого нами сегодня труда заявляют, что фундаментальные ограничения общей производительности и соответствующие стратегии проектирования опреснительных установок не были достаточно хорошо изучены. По этой причине мы не имеем представления о том, как именно можно создавать и совершенствовать именно компактные и недорогие в производстве системы опреснения.

Для решения этой головоломки ученые провели ряд анализов, чтобы получить фундаментальное представление о тепло- и массопереносе внутри устройства. Эти знания могут сильно поспособствовать оптимизации создаваемого устройства опреснения, которое будет работать эффективнее.

Также ученые создали прототип десятиступенчатого TMSS (thermally-localized multistage solar still) без накопления соли, используя недорогие материалы, и продемонстрировали рекордно высокий КПД преобразования солнечного излучения в пар (385%) при производительности 5.78 л/м² в час.
 

Результаты исследования

Изображение №1: схема разработанного прототипа TMSS.

Первая ступень прототипа, на которую падает солнечный свет, состоит из слоя оптически прозрачной кремнеземной (SiO₂, диоксид кремния) аэрогелевой теплоизоляции, солнечного коллектора, капиллярного фитиля* и конденсатора. Все эти слои расположены вдоль направления солнечного излучения (1а).

Капиллярность* — эффект подъема или опускания жидкости по узким трубкам, каналам или пористым телам (капиллярный фитиль — от фитиля в керосиновой лампе).

Каждая из последующих ступеней состоит из капиллярного фитиля и конденсатора, разделенных воздухом (1b). Конденсатор последней ступени расположен в рапе (высококонцентрированный соляной раствор) для поддержания его температуры, близкой к окружающей среде, что обеспечивает большой градиент давления пара на каждой ступени.

Солнечный коллектор, расположенный между слоем кремнезема и первым капиллярным фитилем, преобразует солнечную энергию в тепло. Аэрогелевый слой кремнезема подавляет потери тепла от солнечного коллектора за счет проводимости, конвекции и излучения благодаря своей сверхнизкой теплопроводности и высокой непрозрачности в инфракрасном диапазоне.

Тепловая энергия передается от коллектора к капиллярному фитилю, прикрепленному на задней стороне, где рапа поднимается капиллярно и испаряется из-за повышенной температуры. Пар проходит через воздушный зазор между испарителем и конденсатором, выделяя тепловую энергию за счет конденсации. Конденсированная чистая вода на каждой стадии собирается, в то время как высвобожденная тепловая энергия передается для запуска испарения на следующей стадии, реализуя рециркуляцию энтальпии.

Архитектура TMSS обеспечивает высокопроизводительное опреснение благодаря трем ключевым характеристикам, которые оптимизируют тепло- и массоперенос.

Во-первых, рециркуляция энтальпии испарения осуществляется посредством многоступенчатой конфигурации, в которой скрытое тепло, выделяемое на предыдущей стадии, используется на следующей стадии, чтобы активировать испарение.

Во-вторых, в отличие от традиционных подходов к локализации солнечного тепла, производительность которых зависит от теплоизолирующих впитывающих материалов, которые обеспечивают поглощение солнечной энергии и испарение воды на одном интерфейсе, архитектура TMSS разделяет эти функции: поглощение солнечной энергии происходит на передней стороне, в то время как межфазный нагрев и результирующие испарения находятся на другой стороне ступени.

Такая конструкция позволяет использовать в разработке недорогие материалы, поскольку нет необходимости в солнечном коллекторе с влаговпитывающими свойствами или в особых капиллярных фитилях с определенной степенью солнечного поглощения.

В-третьих, вертикально расположенные ступени установки с настраиваемыми углами наклона могут значительно снизить паразитные потери тепла из-за незначительной площади контакта между тонкопленочным испарителем и объемной рапой (1а). Кроме того такая архитектура позволяет установке работать при разном положении Солнца, вызванного географией или сезонными изменениями.

Исследователи отмечают, что для достижения наилучшей производительности следует оптимизировать многие параметры конструкции, включая ширину устройства (a), толщину воздушного зазора (b) между каждой ступенью устройства и общее количество ступеней (n). Для данного прототипа была выбрана высота ступеней в 10 см, поскольку она приблизительно равна длине капиллярного фитиля. Выбор значений b и n определялся с учетом тепло- и массопереноса на каждой стадии.

К примеру, уменьшение b может уменьшить сопротивление переноса пара, но увеличить потери проводимости через зазор. Эта потеря проводимости на данной ступени может быть повторно использована следующей ступенью для ускорения испарения, однако она уменьшает образование пара на предыдущей высокотемпературной ступени, что приводит к снижению общей эффективности преобразования солнечного излучения в пар.

Если же увеличить число ступеней (n), в теории эффективность возрастет, однако этот «бонус» станет меньше, когда число ступеней будет критическим и эффективность начнет падать ввиду неизбежных потерь тепла от боковых стенок ступеней.

Для определения того, какими же должны быть значения a, b и n, ученые создали теоретическую модель.

Модель показала, что для подобного устройства (ступени 10 см в высоту) воздушный зазор (b) должен быть 2.5 мм, что соответствует пиковому КПД (650%) преобразования солнечного излучения в пар.

Зная, что а = 10 см и b = 2.5 мм, можно установить оптимальное значение числа ступеней. Было установлено, что КПД установки будет расти крайне незначительно, если число ступеней (n) будет превышать 20 штук (КПД около 600%).

Ученые решили использовать воздушный зазор не 2.5, а 5 мм. Таким образом можно быть уверенным, что зазор больше, чем типичный размер капель на конденсаторе, тогда конденсат не будет касаться испарителя и может быть собран.

Число ступеней составило 10 штук для демонстрации того, что даже такое маленькое устройство способно эффективно работать.

Учитывая выбранные параметры (а = 10 см, b = 5 мм и n = 10), ученые предположили, что КПД составит порядка 417%.

Не стоит забывать и про боковые стенки ступеней, поскольку потери тепла из-за увеличения их числа могут снизить эффективность устройства. Потому на боковые стороны были добавлены слои изолятора толщиной 1.27 см.

Также теоретическая модель показывает снижение КПД при увеличении воздушного зазора до 100 мм (с 417% до 300%) и до 1.5 см (с 417% до менее 250%).


Изображение №2

Результатом моделирования стал прототип TMSS, показанный на снимке 2а. Это десятиступенчатое устройство состоит из одиннадцати нейлоновых рам (Nylon PA12), которые были изготовлены с использованием 3D-печати. На задней части первой рамы был установлен коммерчески доступный солнечный коллектор 10х10 см (B-SX / TL / ZZ-1.88). Там же была пластина стекла 10х10 см и толщиной 1 мм с антиотражающим покрытием на передней части для защиты коллектора (2а). Монолитный кремнеземный аэрогель (9.5х9.5 см и толщиной 5 мм) был помещен между солнечным коллектором и стеклянной пластиной и служил прозрачной теплоизоляцией. Остальные 10 рам были идентичны друг другу. В каждой из них был размещен конденсатор из алюминиевой пластины 10х10 см и толщиной 0.5 мм (2b). Конденсатор был покрыт тефлоновым слоем в 1 мкм, что позволяло каплям стекать и не задерживаться на конденсаторе. Углы соприкосновения продвижения и падения на гидрофобном покрытии составляли 108.2° и 103.2°, соответственно (2c и 2d). Гистерезис с малым углом контакта (～5°) позволял легко удалять конденсированные капли миллиметрового масштаба под действием силы тяжести. Для эффективного сбора опресненной воды в нижней части рамы была изготовлена ​​прорезь с углом наклона ～5.7°, которая была подключена к выпускному отверстию.

Высокая прозрачность (﹥95%) стекла и аэрогеля кремнезема, а также высокая поглощающая способность (～93%) солнечного коллектора были измерены с помощью спектрофотометра UV-Vis-NIR (2e).

Самое любопытное то, что в качестве капиллярного фитиля были использованы обыкновенные бумажные полотенца шириной 10 см и длиной 15 см, которые были прикреплены сзади каждого конденсатора (2f). Волокна целлюлозы этих полотенец создают многочисленные микропоры диаметром от 10 до 100 мкм (2g и 2h), которые создают капиллярное давление и обеспечивали быструю транспортировку воды.

Суммарная стоимость материалов, использованных при создании всей установки, составила около 1.54 долларов. При этом 70% затрат приходятся на нейлоновые рамы. Они частично полые, если же использовать полностью полые рамы, то стоимость снизится.


Изображение №3

Первичная оценка характеристик тестируемой установки (схема на 3а) была проведена в лабораторных условиях. Искусственное солнце генерировало поток в 1000 Вт на м².

Для детальной оценки тепловых характеристик одновременно использовалось 12 термопар, которые измеряли температурный отклик в реальном времени: 10 пар контролировали температуру испарителя/конденсатора каждой ступени (Т₁-Т₁₀); 1 пара регистрировала температуру конденсатора последней ступени (T_b) и еще 1 пара — температуру окружающей среды (T_atm) (2a и 3а). Собранные данные о потере температуры и массы обрабатывались компьютером. Температурная динамика 10 ступеней в течение 3 часов показана на 3b.

Из-за высокого термического сопротивления аэрогеля и изоляции боковых стенок ступеней температура первой ступени буквально за 15 минут достигла 60 °С (Т₁), а потом доросла до стабильного состояния в 72 °С. Остальные ступени также постепенно достигли такого стабильного состояния спустя 100 минут от начала облучения.

Хотя конденсатор последней ступени был вставлен в резервуар для воды, его температура по-прежнему несколько превышала температуру окружающей среды (T_b ～25 °C) в устойчивом состоянии из-за теплового сопротивления через тонкий алюминиевый лист.

Скорость изменения массы для 10-ступенчатого устройства постепенно увеличивалась и поддерживалась на постоянном уровне ～0.89 г/мин после установления термического устойчивого состояния.

Подобная динамика поведения ступеней была описана на стадии моделирования (3с), которое рассматривает зависящую от температуры концентрацию пара и диффузию на каждой ступени установки.

Конденсированная вода начала вытекать из выходного отверстия первой ступени примерно через 8 минут после включения искусственного солнца. Следом так же произошло и с последующими ступенями.
 

Демонстрация начала работы установки TMSS.

Когда TMSS перешел в устойчивый режим работы через 100 минут, наблюдался непрерывный поток воды из всех десяти отверстий.
 

Демонстрация работы установки в стабильном режиме.

Общая потеря массы составила порядка 150 г, а воды было собрано около 113 г спустя 3 часа работы установки. Утраченная вода по большей степени была представлена каплями, которые остались на конденсаторе, и утечкой пара во время работы установки. Если вычесть вклад испарения в неосвещенных условиях, то получается, что
скорость производства пара десятиступенчатой TMSS в стационарном режиме составила 5.78 л/м² в час.

Далее для лучшего понимания механизма тепло- и массопереноса внутри TMSS, был проведен анализ температуры и потока пара каждой ступени в стационарном состоянии (3d). Температура каждой ступени была усреднена в течение последнего часа измерения (т.е. от 120 минуты до 180 минуты теста).

Измерение температуры показало линейный спад между ступенями из-за одинакового теплового сопротивления каждой из них. Для оценки вклада каждой из ступеней была рассчитана концентрация насыщенного пара на основе температуры испарителя и потока пара.

Поток пара показал экспоненциальное уменьшение с каждой последующей ступенью (3d) из-за потерь тепла на боковой стенке и нелинейной зависимости между температурой и концентрацией пара. Итого, первые три ступени внесли наибольший вклад — порядка 45% от общего потока пара. Это наблюдение на практике показывает, почему добавления большого числа ступеней будет просто неэффективным и нерациональным.

Для наглядной демонстрации важности рециркуляции энтальпии испарения, был проведен сравнительный анализ производительности десятиступенчатого устройства с одноступенчатым. Эффективность одноступенчатой системы составила всего 81% (3е), как и предсказывала теоретическая модель (около 83%). Соответствующий выход воды составил 1.21 л/м² в час, а это примерно в пять раз меньше, чем производительность десятиступенчатой ​​установки (3с).

Также была проверена изоляция боковых стенок и ее важность. При отсутствии изоляции КПД упал до 286%, тогда как при ее наличии должен достигать 326% (3е).


Изображение №4

График выше показывает сравнение эффективности тестируемой TMSS установки (отмечено звездочкой) и ранее разработанных эквивалентов. Как мы можем видеть, показатели разработанной установки буквально бьют все рекорды.

Следующим важным показателем, который проверяли исследователи, была степень обессоливания прототипа TMSS на примере воды с 3.5% содержанием NaCl. После опреснения минерализация воды (0.0005 мас.%) была снижена на четыре порядка (5а).


Изображение №5

При этом международный стандарт для питьевой воды, установленный Всемирной организацией здравоохранения, составляет 0.02 мас.%.

Еще одним немаловажным аспектом является накопление солей, которое может нарушить постоянную работу установки. Для проверки устойчивости прототипа к этой проблемы был проведен тест, в котором установка облучалась светом в 1500 Вт/м² в течение 1.5 часов. Общее лабораторное солнечное излучение составило 5,25 кВт · ч на м², что превышает среднегодовое дневное солнечное излучение в США. Эти 3.5 часа имитировали день, после чего излучение отключалось для имитации ночи. Такие условия приводят к быстрому накоплению солей и сокращению времени диффузии. На 5b показана динамика накопления и отторжения соли в течение 18.5-часового теста. В целом, испаритель показал высокую способность к отводу соли в течение всего испытания.

Накопление соли было замечено только в двух верхних углах, которые имели наибольшее диффузионное сопротивление, поскольку они находились на самом дальнем расстоянии от рапа (динамика накопления соли в этих углах показана белой пунктирной линией на 5b).

Первые два часа соли не накапливались, так как NaCl обладает высокой диффузионной растворимостью в воде. Но спустя 2 часа соль начала кристаллизоваться, а уже спустя 3.5 часа около 45% участка в 4х4 см углов были покрыты солью. Тем не менее уже спустя 15 часов обычной работы установки накопленная соль полностью диффундирует.

Все вышеописанные результаты тестов и наблюдений были получены в лабораторных условиях. Естественно, условия в природе не могут быть контролируемыми, как в лаборатории. Потому были проведены аналогичные тесты, но уже под открытым небом (тест проводился в июле 2019 года).


Изображение №6

Прототип был расположен на крыше кампуса института (6a и 6b). Для оценки изменений температур были так же использованы 12 термопар, а пиранометр был использован для оценки изменений падающего солнечного потока. Камера записывала все изменения, в том числе и количество собранной воды в специальном цилиндре объемом 100 мл.

Опыт под открытым небом начался в 11:10 по местному времени и завершился в 16:00. Температура каждой ступени быстро повышалась в течение первого часа, когда температура солнечного коллектора превышала температуру окружающей среды более чем на 30 °С (6с).
 

Демонстрация работы установки во время теста под открытым небом.

Вода начала вытекать из первой ступени уже через 20 минут. Солнечный поток значительно варьировался от 200 до 800 Вт м² из-за рассеянных облаков (6d), что приводило к колебаниям температуры солнечного коллектора (6с). Ввиду облачности наблюдалось вполне ожидаемое колебание температуры солнечного коллектора от 50 до 65 °С.

На снимках 6е отчетливо видно, сколько воды было собрано за время проведения опыта: 72 мл за 4.5 часа, т.е. 2,6 л кВт^-1 в час.

Логично, что такое маленькое устройство не сможет, учитывая изменчивость погоды, удовлетворить суточную норму воды для человека (около 3.2 л). Для этого нужно собрать массив из прототипов площадью 1 м² (10 на 10 штук), который сможет собирать около 10-20 литров воды в день в зависимости от погодных условий и сезона.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
 

Эпилог

В данном труде ученые описали характеристики своего прототипа установки по опреснению воды за счет солнечного света. В то время как большинство современных установок требуют либо больших финансовых вложений, либо определенных условий (как природных, так и инфраструктурных), созданный прототип очень дешевый и весьма эффективный. Суммарная стоимость материалов составила всего лишь 1.54 долларов, а выход воды 5.7 л м2 в час.

Фундаментом своего творения ученые называют понимание принципов термо- и массообмена внутри разрабатываемого устройства. Ведь, если известно что и как происходит с различными участниками процесса, можно корректировать их поведение.

Проблема пресной воды с каждым годом становится все больше, хоть и многие ее не замечают, поскольку живут в условиях достаточно беспроблемного доступа к водным ресурсам. Тем не менее, проблема есть и ее нельзя игнорировать. Данное исследование показывает, насколько эффективными могут быть простые и дешевые устройства, которые реализуют фундаментальные принципы естественных наук. Все гениальное — просто. Эта фраза звучит достаточно часто, правда иногда она используется не по назначению, но в случае рассмотренного нами сегодня прототипа, она подходит идеально.