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Distillateur compact d'aérogel, d'aluminium et d'essuie-mains à 1,5 $



Notre planète est à bien des égards unique, surtout par rapport à ses voisins du système solaire. La majeure partie de la surface de la Terre, environ 70%, est occupée par les océans, les mers, les rivières et les lacs. Cependant, seule une petite fraction de ces réserves d'eau est fraîche. La part du lion est l'eau de mer et l'océan, qui ne peut être bue que si vous voulez vous déshydrater, avoir des problèmes avec vos reins et vraiment aimer relire les instructions pour un assainisseur d'air dans la «salle des pensées». En d'autres termes, l'eau salée provenant de son utilisation directe sera plus nocive que bonne.

Aujourd'hui, nous vous rencontrerons une étude dans laquelle un groupe de scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (USA) a développé un dispositif qui permet le dessalement de l'eau en utilisant l'énergie solaire sans aucune implication humaine. Quelles sont les caractéristiques de l'invention, quel est le principe de son fonctionnement et quelle est son efficacité? Nous en apprenons sur le rapport du groupe de recherche. Aller.

Base d'étude


Malgré les énormes réserves d'eau de la planète, étant donné que seule une fraction d'entre elles est propre à la consommation, près d'un tiers de la population mondiale souffre d'une pénurie d'eau potable. L'utilisation de l'eau de mer comme source d'eau douce est le moyen le plus logique et relativement facile à mettre en œuvre pour résoudre ce problème mondial.

Comme le disent les scientifiques eux-mêmes, les usines de dessalement modernes fonctionnent assez efficacement, mais elles présentent un certain nombre de lacunes très banales. L'un d'eux est leur coût élevé et la nécessité d'une infrastructure développée qui peut soutenir le travail d'un mécanisme aussi complexe.

Les systèmes de dessalement passif qui utilisent l'énergie solaire sont également très efficaces. Mais le coût de l'eau douce qu'ils ont produite est assez élevé, sans parler de la faible efficacité de la conversion de l'énergie solaire en eau douce.

Récemment, l'accent du développement a été mis sur la création de systèmes passifs plus efficaces. Dans le cadre de telles études, il a été possible de créer des systèmes basés sur la localisation de la chaleur solaire. Cependant, l'efficacité de conversion du rayonnement solaire en vapeur est inférieure à 100% si l' enthalpie d'évaporation * est perdue dans l'environnement.
Enthalpie d'évaporation * - la quantité de chaleur nécessaire pour convertir une substance liquide en une substance gazeuse.
Les scientifiques pensent que la clé pour augmenter l'efficacité des systèmes de dessalement peut être la collecte et la réutilisation de l'enthalpie de vaporisation. Cette idée a déjà été mise en œuvre dans les grandes usines de distillation. Cependant, avec des installations de distillation de petite taille, certaines difficultés technologiques se posent.

Des études antérieures ont déjà démontré des systèmes compacts de localisation de la chaleur solaire qui réutilisaient l'enthalpie de vaporisation pour produire de l'électricité, convertir l'eau de mer en vapeur, ou les deux. Cependant, il existe une théorie selon laquelle l'efficacité de tels mécanismes peut être beaucoup plus élevée qu'elle ne l'est actuellement.

Les auteurs des travaux que nous considérons aujourd'hui affirment que les limites fondamentales de la productivité globale et les stratégies de conception correspondantes pour les usines de dessalement n'ont pas été bien étudiées. Pour cette raison, nous ne savons pas exactement comment il est possible de créer et d'améliorer précisément des systèmes de dessalement compacts et peu coûteux en production.

Pour résoudre ce casse-tête, les scientifiques ont mené une série d'analyses afin de se faire une idée fondamentale du transfert de chaleur et de masse à l'intérieur de l'appareil. Cette connaissance peut grandement contribuer à l'optimisation du dispositif de dessalement en cours de création, qui fonctionnera plus efficacement.

Les scientifiques ont également créé un prototype de TMSS en dix étapes ( alambic solaire à plusieurs étages localisé thermiquement).) sans accumulation de sel, en utilisant des matériaux peu coûteux, et a montré une efficacité record de conversion du rayonnement solaire en vapeur (385%) avec une productivité de 5,78 l / m 2 par heure.

Résultats de recherche



Image 1: Diagramme de conception du prototype TMSS.

La première étape du prototype, sur laquelle la lumière du soleil tombe, consiste en une couche d' isolation thermique en aérogel de silice optiquement transparente (SiO 2 , dioxyde de silicium), un capteur solaire, une mèche capillaire * et un condensateur. Toutes ces couches sont situées le long de la direction du rayonnement solaire ( 1a ).
Capillarité * - effet d'élever ou d'abaisser le liquide à travers des tubes étroits, des canaux ou des corps poreux (mèche capillaire - à partir de la mèche dans une lampe à pétrole).
Chacune des étapes suivantes consiste en une mèche capillaire et un condenseur séparés par de l'air ( 1b ). Le condenseur du dernier étage est situé dans la saumure (saumure hautement concentrée) pour maintenir sa température proche de l'environnement, ce qui fournit un gradient de pression de vapeur important à chaque étage.

Le capteur solaire, situé entre la couche de silice et la première mèche capillaire, convertit l'énergie solaire en chaleur. La couche d'aérogel de silice supprime les pertes de chaleur du capteur solaire en raison de la conductivité, de la convection et du rayonnement en raison de sa conductivité thermique ultra faible et de son opacité élevée dans la plage infrarouge.

L'énergie thermique est transférée du collecteur à une mèche capillaire fixée à l'arrière, où la saumure monte capillaire et s'évapore en raison de la température élevée. La vapeur passe à travers l'entrefer entre l'évaporateur et le condenseur, libérant de l'énergie thermique par condensation. L'eau pure condensée est collectée à chaque étape, tandis que l'énergie thermique libérée est transférée pour démarrer l'évaporation dans l'étape suivante, réalisant la recirculation de l'enthalpie.

L'architecture TMSS offre un dessalement performant grâce à trois fonctionnalités clés qui optimisent le transfert de chaleur et de masse.

Premièrement, la recirculation de l'enthalpie d'évaporation est effectuée à travers une configuration à plusieurs étages dans laquelle la chaleur latente générée dans l'étape précédente est utilisée dans l'étape suivante pour activer l'évaporation.

Deuxièmement, contrairement aux approches traditionnelles de la localisation de la chaleur solaire, dont les performances dépendent de matériaux absorbants calorifuges qui assurent l'absorption de l'énergie solaire et l'évaporation de l'eau sur une seule interface, l'architecture TMSS partage ces fonctions: l'absorption de l'énergie solaire se produit sur la face avant, tandis que tandis que le chauffage interfacial et les fumées qui en résultent sont de l'autre côté de la scène.

Cette conception permet l'utilisation de matériaux peu coûteux dans le développement, car il n'y a pas besoin d'un capteur solaire avec des propriétés d'absorption d'humidité ou de mèches capillaires spéciales avec un certain degré d'absorption solaire.

Troisièmement, les étapes d'installation disposées verticalement avec des angles d'inclinaison réglables peuvent réduire considérablement les pertes de chaleur parasites en raison de la petite zone de contact entre l'évaporateur à couche mince et la saumure en vrac ( 1a ). De plus, cette architecture permet à l'installation de fonctionner à différentes positions du Soleil, causées par la géographie ou les changements saisonniers.

Les chercheurs notent que pour obtenir les meilleures performances, de nombreux paramètres de conception doivent être optimisés, y compris la largeur de l'appareil ( un), l'épaisseur de l'entrefer ( b ) entre chaque étage du dispositif et le nombre total d'étages ( n ). Pour ce prototype, une hauteur de marche de 10 cm a été choisie, car elle est approximativement égale à la longueur de la mèche capillaire. Le choix de b et n a été déterminé en tenant compte du transfert de chaleur et de masse à chaque étape.

Par exemple, une diminution de b peut diminuer la résistance au transfert de vapeur, mais augmenter la perte de conductivité à travers l'espace. Cette perte de conductivité à ce stade peut être réutilisée par l'étape suivante pour accélérer l'évaporation, mais elle réduit la formation de vapeur à l'étape à haute température précédente, ce qui réduit l'efficacité globale de la conversion du rayonnement solaire en vapeur.

Si vous augmentez le nombre d'étapes (n ), en théorie, l'efficacité augmentera, mais ce «bonus» diminuera lorsque le nombre d'étapes est critique et que l'efficacité commence à baisser en raison de la perte de chaleur inévitable des parois latérales des étapes.

Pour déterminer quelles devraient être les valeurs de a , b et n , les scientifiques ont créé un modèle théorique.

Le modèle a montré que pour un tel appareil (pas de 10 cm de haut), l'entrefer ( b ) devrait être de 2,5 mm, ce qui correspond à l'efficacité maximale (650%) de la conversion du rayonnement solaire en vapeur.

Sachant que a = 10 cm et b= 2,5 mm, vous pouvez définir la valeur optimale pour le nombre de pas. Il a été constaté que l'efficacité de l'installation augmentera très légèrement si le nombre d'étapes ( n ) dépasse 20 pièces (efficacité d'environ 600%).

Les scientifiques ont décidé d'utiliser un entrefer non pas de 2,5, mais de 5 mm. Ainsi, vous pouvez être sûr que l'écart est plus grand que la taille typique des gouttelettes sur le condenseur, alors le condensat ne touchera pas l'évaporateur et pourra être collecté.

Le nombre d'étapes était de 10 pour démontrer que même un si petit appareil peut fonctionner efficacement.

Compte tenu des paramètres sélectionnés ( a = 10 cm, b = 5 mm et n = 10), les scientifiques ont suggéré que l'efficacité serait d'environ 417%.

N'oubliez pas les parois latérales des marches, car les pertes de chaleur dues à une augmentation de leur nombre peuvent réduire l'efficacité de l'appareil. Par conséquent, des couches isolantes de 1,27 cm d'épaisseur ont été ajoutées sur les côtés.

De plus, le modèle théorique montre une diminution de l'efficacité lorsque l'entrefer augmente à 100 mm (de 417% à 300%) et à 1,5 cm (de 417% à moins de 250%).


Image n ° 2

Le résultat de la simulation était le prototype TMSS, illustré à la figure 2a. Cet appareil en dix étapes se compose de onze cadres en nylon (Nylon PA12), qui ont été fabriqués à l'aide de l'impression 3D. Un capteur solaire de 10x10 cm disponible dans le commerce (B-SX / TL / ZZ-1.88) a été installé à l'arrière du premier cadre. Il y avait également une plaque de verre de 10x10 cm d'une épaisseur de 1 mm avec un revêtement antireflet sur le devant pour protéger le collecteur ( 2a ). Un aérogel de silice monolithique (9,5x9,5 cm et 5 mm d'épaisseur) a été placé entre le capteur solaire et la plaque de verre et a servi d'isolation thermique transparente. Les 10 images restantes étaient identiques les unes aux autres. Dans chacun d'eux, un condensateur d'une plaque d'aluminium de 10x10 cm et 0,5 mm d'épaisseur a été placé ( 2b) Le condensateur était recouvert d'une couche de téflon de 1 μm, ce qui permettait aux gouttelettes de s'écouler et de ne pas s'attarder sur le condensateur. Les angles de contact et d'avance sur le revêtement hydrophobe étaient respectivement de 108,2 ° et 103,2 ° ( 2c et 2d ). L'hystérésis avec un petit angle de contact (～ 5 °) a facilité l'élimination des gouttelettes condensées à l'échelle millimétrique sous l'action de la gravité. Pour collecter efficacement l'eau dessalée, une fente avec un angle d'inclinaison de ～ 5,7 ° a été réalisée dans la partie inférieure du cadre, qui était reliée à la sortie.

La haute transparence (﹥ 95%) du verre et de l'aérogel de silice, ainsi que la capacité d'absorption élevée (～ 93%) du capteur solaire, ont été mesurées à l'aide d'un spectrophotomètre UV-Vis-NIR ( 2e ).

La chose la plus intéressante est que des serviettes en papier ordinaires de 10 cm de large et 15 cm de long, qui étaient fixées à l'arrière de chaque condensateur ( 2f ), ont été utilisées comme mèche capillaire . Les fibres de cellulose de ces serviettes créent de nombreux micropores avec des diamètres allant de 10 à 100 microns ( 2g et 2h ), qui créent une pression capillaire et assurent un transport rapide de l'eau.

Le coût total des matériaux utilisés pour créer l'ensemble de l'installation était d'environ 1,54 dollar. Dans le même temps, 70% du coût incombe aux cadres en nylon. Ils sont partiellement creux, mais si vous utilisez des cadres complètement creux, le coût diminuera.


Image n ° 3

Évaluation initiale des caractéristiques de l'installation testée (schéma 3a) a été réalisée en laboratoire. Le soleil artificiel a généré un débit de 1000 watts par m 2 .

Pour une évaluation détaillée des caractéristiques thermiques, 12 thermocouples ont été utilisés simultanément, qui mesuraient la réponse en température en temps réel: 10 paires contrôlaient la température de l'évaporateur / condenseur de chaque étage ( T 1 - T 10 ); 1 paire a enregistré la température du condensateur du dernier étage ( T b ) et 1 autre paire a enregistré la température ambiante ( T atm ) ( 2a et 3a ). Les données recueillies sur la perte de température et de masse ont été traitées par un ordinateur. La dynamique de la température de 10 étapes pendant 3 heures est illustrée dans3b . En

raison de la haute résistance thermique de l'aérogel et de l'isolement des parois latérales des étapes, la température de la première étape littéralement atteint 15 ° C en 15 minutes ( T 1 ), puis il a atteint un état stable de 72 ° C Les étapes restantes ont également progressivement atteint un tel état stable après 100 minutes à partir du début de l'irradiation.

Bien que le condensateur de dernier étage ait été inséré dans le réservoir d'eau, sa température était encore légèrement supérieure à la température ambiante ( T b～ 25 ° C) dans un état stable en raison de la résistance thermique à travers une mince feuille d'aluminium.

Le taux de changement de masse pour un appareil à 10 étages a progressivement augmenté et a été maintenu à un niveau constant de ～ 0,89 g / min après l'établissement d'un état thermiquement stable.

Une dynamique similaire du comportement des étapes a été décrite à l'étape de modélisation ( 3c ), qui prend en compte la concentration et la diffusion de vapeur en fonction de la température à chaque étape de l'installation.

L'eau condensée a commencé à s'écouler de la sortie du premier étage environ 8 minutes après avoir allumé le soleil artificiel. Après cela est arrivé avec les étapes suivantes.


Démonstration du début de l'installation du TMSS.

Lorsque le TMSS est entré en régime permanent après 100 minutes, il y avait un écoulement continu d'eau des dix trous.


Démonstration de l'installation en mode stable.

La perte de poids totale était d'environ 150 g et environ 113 g d'eau ont été recueillis après 3 heures de fonctionnement. L'eau perdue était principalement représentée par les gouttelettes qui restaient sur le condenseur et les fuites de vapeur pendant le fonctionnement de l'installation. Si l'on soustrait la contribution de l'évaporation dans des conditions éteintes, il s'avère que
le taux de production de vapeur du TMSS à dix étages en mode stationnaire était de 5,78 l / m 2 par heure.

De plus, pour mieux comprendre le mécanisme de transfert de chaleur et de masse à l'intérieur du TMSS, une analyse de la température et du débit de vapeur de chaque étage à l'état stationnaire ( 3d ) a été réalisée . La température de chaque étape a été moyennée au cours de la dernière heure de mesure (c'est-à-dire de 120 minutes à 180 minutes du test).

La mesure de température a montré une baisse linéaire entre les étapes en raison de la même résistance thermique de chacune d'elles. Pour évaluer la contribution de chaque étape, la concentration de vapeur saturée a été calculée en fonction de la température de l'évaporateur et du flux de vapeur.

Le flux de vapeur a montré une diminution exponentielle à chaque étape subséquente (3d) en raison de la perte de chaleur sur la paroi latérale et de la relation non linéaire entre la température et la concentration de vapeur. Au total, les trois premières étapes ont apporté la plus grande contribution - environ 45% du débit total de vapeur. Cette observation dans la pratique montre pourquoi l'ajout d'un grand nombre d'étapes sera simplement inefficace et irrationnel.

Pour démontrer clairement l'importance de la recirculation de l'enthalpie de vaporisation, une analyse comparative des performances d'un dispositif à dix étages avec un seul étage a été réalisée. L'efficacité d'un système à un étage n'était que de 81% ( 3 ), comme le prédit le modèle théorique (environ 83%). Le débit d'eau correspondant était de 1,21 l / m 2 par heure, soit environ cinq fois moins que la capacité d'une installation à dix étages ( 3 s ).

L'isolation des parois latérales et son importance ont également été testées. En l'absence d'isolation, le rendement est tombé à 286%, alors qu'en présence d'isolement il devrait atteindre 326% ( 3 ).


Image n ° 4

Le graphique ci-dessus montre une comparaison de l'efficacité de l'installation TMSS testée (marquée d'un astérisque) et des équivalents développés précédemment. Comme nous pouvons le voir, les indicateurs de l'installation développée battent littéralement tous les records.

Le prochain indicateur important que les chercheurs ont vérifié était le degré de dessalement du prototype TMSS en utilisant de l'eau avec une teneur en NaCl de 3,5% comme exemple. Après le dessalement, la minéralisation de l'eau (0,0005% en poids) a été réduite de quatre ordres de grandeur ( 5a ).


Image n ° 5

De plus, la norme internationale pour l'eau potable, établie par l'Organisation mondiale de la santé, est de 0,02% en poids.

Un autre aspect important est l'accumulation de sels, qui peut interférer avec le fonctionnement continu de l'installation. Pour tester la résistance du prototype à ce problème, un test a été réalisé dans lequel l'installation a été irradiée avec de la lumière à 1500 W / m 2 pendant 1,5 heures. Le rayonnement solaire total en laboratoire était de 5,25 kWh par m 2 , ce qui dépasse le rayonnement solaire quotidien annuel moyen aux États-Unis. Ces 3,5 heures ont simulé le jour, après quoi le rayonnement a été coupé pour simuler la nuit. De telles conditions conduisent à l'accumulation rapide de sels et à une réduction du temps de diffusion. Le 5b montre la dynamique de l'accumulation et du rejet de sel pour un test de 5,18 heures. En général, l'évaporateur a montré une grande capacité à éliminer le sel tout au long du test.

L'accumulation de sel n'a été observée que dans les deux coins supérieurs, qui avaient la plus grande résistance à la diffusion, car ils étaient à la distance la plus éloignée de la saumure (la dynamique de l'accumulation de sel dans ces coins est indiquée par une ligne pointillée blanche en 5b ).

Les deux premières heures de sel ne se sont pas accumulées, car le NaCl a une solubilité de diffusion élevée dans l'eau. Mais après 2 heures, le sel a commencé à cristalliser, et après 3,5 heures, environ 45% de la surface dans les coins de 4x4 cm était recouverte de sel. Cependant, après 15 heures de fonctionnement normal, le sel accumulé se diffuse complètement.

Tous les résultats des tests et observations ci-dessus ont été obtenus dans des conditions de laboratoire. Naturellement, les conditions environnementales ne peuvent pas être contrôlées, comme dans un laboratoire. Par conséquent, des tests similaires ont été effectués, mais déjà en plein air (le test a été effectué en juillet 2019).


Image n ° 6

Le prototype était situé sur le toit du campus de l'institut ( 6a et 6b ). Pour évaluer les changements de température, 12 thermocouples ont également été utilisés et un pyranomètre a été utilisé pour évaluer les changements du flux solaire incident. La caméra a enregistré tous les changements, y compris la quantité d'eau recueillie dans un cylindre spécial d'un volume de 100 ml.

L'expérience en plein air a commencé à 11 h 10, heure locale, et s'est terminée à 16 h. La température de chaque étage a augmenté rapidement au cours de la première heure, lorsque la température du capteur solaire a dépassé la température ambiante de plus de 30 ° C ( 6 s ).


Démonstration de l'installation lors du test en plein air.

L'eau a commencé à s'écouler du premier étage après 20 minutes. Le flux solaire variait considérablement de 200 à 800 W m 2 en raison de nuages ​​dispersés ( 6d ), ce qui entraînait des fluctuations de la température du capteur solaire ( 6c ). En raison de la couverture nuageuse, la fluctuation de température très attendue du capteur solaire a été observée de 50 à 65 ° C.

Sur les images 6e, la quantité d'eau collectée au cours de l'expérience est clairement visible: 72 ml en 4,5 heures, soit 2,6 l kW -1 par heure.

Il est logique qu'un si petit appareil ne soit pas en mesure, compte tenu de la variabilité des conditions météorologiques, de satisfaire le débit d'eau quotidien pour l'homme (environ 3,2 l). Pour ce faire, vous devez assembler un ensemble de prototypes d'une superficie de 1 m 2 (10 pour 10 pièces), qui peuvent collecter environ 10 à 20 litres d'eau par jour, en fonction des conditions météorologiques et de la saison.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue


Dans ce travail, les scientifiques ont décrit les caractéristiques de leur prototype d'usine de dessalement en utilisant la lumière du soleil. Alors que la plupart des installations modernes nécessitent des investissements financiers importants ou certaines conditions (naturelles et infrastructurelles), le prototype créé est très bon marché et très efficace. Le coût total des matériaux n'était que de 1,54 dollar, et le débit d'eau de 5,7 l m2 par heure.

Les scientifiques appellent le fondement de leur création une compréhension des principes du transfert thermique et de masse à l'intérieur du dispositif en cours de développement. Après tout, si vous savez ce qui se passe avec les différents participants au processus et comment, vous pouvez ajuster leur comportement.

Le problème de l'eau douce devient de plus en plus chaque année, bien que beaucoup ne le remarquent pas, car ils vivent dans des conditions d'accès assez sans problème aux ressources en eau. Cependant, il y a un problème et ne peut pas être ignoré. Cette étude montre à quel point des appareils simples et bon marché qui mettent en œuvre les principes fondamentaux des sciences naturelles peuvent être efficaces. Tout ingénieux est simple. Cette phrase sonne assez souvent, bien qu'elle soit parfois utilisée à d'autres fins, mais dans le cas du prototype que nous avons examiné aujourd'hui, elle convient parfaitement.

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