Get best of the week

Penyuling airgel, aluminium, dan handuk kertas seharga $ 1,5



Planet kita dalam banyak hal unik, terutama jika dibandingkan dengan tetangganya di tata surya. Sebagian besar permukaan bumi, sekitar 70%, ditempati oleh lautan, laut, sungai dan danau. Namun, hanya sebagian kecil dari cadangan air ini yang segar. Bagian terbesar adalah air laut dan laut, yang dapat diminum hanya jika Anda ingin mengalami dehidrasi, memiliki masalah dengan ginjal Anda dan benar-benar suka membaca kembali petunjuk untuk penyegar udara di "ruang pikiran". Dengan kata lain, air garam dari penggunaan langsungnya akan lebih berbahaya daripada baik.

Hari ini kami akan bertemu dengan Anda sebuah studi di mana sekelompok ilmuwan dari Massachusetts Institute of Technology (AS) mengembangkan perangkat yang memungkinkan desalinasi air menggunakan energi matahari tanpa keterlibatan manusia. Apa ciri-ciri dari penemuan ini, apa prinsip operasinya dan seberapa efektifnya? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Pergilah.

Dasar studi


Terlepas dari cadangan air yang besar di planet ini, mengingat hanya sebagian kecil dari mereka yang layak dikonsumsi, hampir sepertiga populasi dunia menderita kekurangan air minum. Menggunakan air laut sebagai sumber air tawar adalah cara yang paling logis dan relatif mudah diterapkan untuk menyelesaikan masalah global ini.

Seperti yang dikatakan para ilmuwan sendiri, pabrik desalinasi modern bekerja cukup efisien, tetapi mereka memiliki sejumlah kekurangan yang sangat dangkal. Salah satunya adalah biaya tinggi dan kebutuhan untuk infrastruktur yang dikembangkan yang dapat mendukung kerja mekanisme yang sedemikian kompleks.

Sistem desalinasi pasif yang menggunakan energi matahari juga cukup efektif. Tetapi biaya air tawar yang mereka hasilkan cukup tinggi, belum lagi rendahnya efisiensi konversi energi surya menjadi air tawar.

Baru-baru ini, penekanan pengembangan telah diletakkan pada penciptaan sistem pasif yang lebih efisien. Dalam kerangka studi tersebut, dimungkinkan untuk membuat sistem berdasarkan lokalisasi panas matahari. Namun, efisiensi konversi radiasi matahari menjadi uap di bawah 100% jika entalpi penguapan * hilang di lingkungan.
Entalpi penguapan * - jumlah panas yang diperlukan untuk mengubah zat cair menjadi gas.
Para ilmuwan percaya bahwa kunci untuk meningkatkan efisiensi sistem desalinasi adalah pengumpulan dan penggunaan kembali penguapan entalpi. Gagasan ini telah diterapkan di pabrik penyulingan besar. Namun, dengan pabrik penyulingan berukuran kecil, kesulitan teknologi tertentu muncul.

Studi sebelumnya telah menunjukkan sistem pelokalan panas matahari kompak yang menggunakan kembali entalpi penguapan untuk menghasilkan listrik, mengubah air laut menjadi uap, atau keduanya. Namun, ada teori bahwa efektivitas mekanisme semacam itu bisa jauh lebih tinggi daripada sekarang.

Para penulis karya yang kami pertimbangkan saat ini menyatakan bahwa keterbatasan mendasar dari produktivitas keseluruhan dan strategi desain yang sesuai untuk pabrik desalinasi belum diteliti dengan baik. Untuk alasan ini, kami tidak tahu bagaimana persisnya mungkin untuk membuat dan meningkatkan sistem desalinasi yang kompak dan murah dalam produksi.

Untuk memecahkan teka-teki ini, para ilmuwan melakukan serangkaian analisis untuk mendapatkan ide mendasar tentang perpindahan panas dan massa di dalam perangkat. Pengetahuan ini dapat sangat berkontribusi pada optimalisasi perangkat desalinasi yang sedang dibuat, yang akan bekerja lebih efisien.

Para ilmuwan juga menciptakan prototipe TMSS sepuluh- tahap ( masih bertingkat surya termal masih) Tanpa akumulasi garam, menggunakan bahan murah, dan menunjukkan efisiensi yang tinggi catatan konversi radiasi matahari menjadi uap (385%) dengan produktivitas 5,78 l / m 2 per jam.

Hasil penelitian



Gambar 1: diagram desain prototipe TMSS.

Tahap pertama dari prototipe, di mana sinar matahari jatuh, terdiri dari lapisan silika optik transparan (SiO 2 , silikon dioksida) isolasi termal aerogel, kolektor surya, sumbu kapiler * dan kapasitor. Semua lapisan ini terletak di sepanjang arah radiasi matahari ( 1a ).
Kapilaritas * - efek menaikkan atau menurunkan cairan melalui tabung sempit, saluran atau benda berpori (sumbu kapiler - dari sumbu dalam lampu minyak tanah).
Setiap langkah selanjutnya terdiri dari sumbu kapiler dan kondensor yang dipisahkan oleh udara ( 1b ). Kondensor dari tahap terakhir terletak di air garam (air garam yang sangat pekat) untuk menjaga suhunya dekat dengan lingkungan, yang memberikan gradien tekanan uap yang besar pada setiap tahap.

Kolektor surya, yang terletak di antara lapisan silika dan sumbu kapiler pertama, mengubah energi matahari menjadi panas. Lapisan aerogel dari silika menekan kehilangan panas dari pengumpul surya karena konduktivitas, konveksi dan radiasi karena konduktivitas termal yang sangat rendah dan opacity tinggi dalam jangkauan inframerah.

Energi termal ditransfer dari kolektor ke sumbu kapiler yang melekat pada sisi belakang, di mana air garam naik kapiler dan menguap karena suhu tinggi. Uap melewati celah udara antara evaporator dan kondensor, melepaskan energi panas melalui kondensasi. Air murni yang terkondensasi dikumpulkan pada setiap tahap, sementara energi panas yang dilepaskan ditransfer untuk memulai penguapan di tahap berikutnya, mewujudkan resirkulasi entalpi.

Arsitektur TMSS memberikan desalinasi berkinerja tinggi berkat tiga fitur utama yang mengoptimalkan perpindahan panas dan massa.

Pertama, entalpi penguapan diresirkulasi melalui konfigurasi multi-tahap di mana panas laten yang dihasilkan pada tahap sebelumnya digunakan pada tahap berikutnya untuk mengaktifkan penguapan.

Kedua, tidak seperti pendekatan tradisional untuk lokalisasi panas matahari, kinerja yang tergantung pada bahan penyerap isolasi panas yang menyediakan penyerapan energi surya dan penguapan air pada satu antarmuka, arsitektur TMSS berbagi fungsi-fungsi ini: penyerapan energi matahari terjadi di sisi depan, sementara sementara pemanasan antar muka dan asap yang dihasilkan berada di sisi lain panggung.

Desain ini memungkinkan penggunaan bahan-bahan murah dalam pengembangan, karena tidak perlu kolektor surya dengan sifat menyerap kelembaban atau sumbu kapiler khusus dengan tingkat tertentu penyerapan matahari.

Ketiga, langkah pemasangan yang diatur secara vertikal dengan sudut kemiringan yang dapat disetel dapat secara signifikan mengurangi kehilangan panas palsu karena area kontak kecil antara evaporator film tipis dan brine curah ( 1a ). Selain itu, arsitektur ini memungkinkan instalasi untuk bekerja di berbagai posisi Matahari, yang disebabkan oleh perubahan geografis atau musim.

Peneliti mencatat bahwa untuk mencapai kinerja terbaik, banyak parameter desain harus dioptimalkan, termasuk lebar perangkat ( a), ketebalan celah udara ( b ) antara setiap tahap perangkat dan jumlah total tahap ( n ). Untuk prototipe ini, ketinggian langkah 10 cm dipilih, karena kira-kira sama dengan panjang sumbu kapiler. Pilihan b dan n ditentukan dengan mempertimbangkan perpindahan panas dan massa pada setiap tahap.

Misalnya, mengurangi b dapat mengurangi resistensi transfer uap, tetapi meningkatkan kehilangan konduktivitas melalui celah. Kehilangan konduktivitas pada tahap ini dapat digunakan kembali oleh tahap berikutnya untuk mempercepat penguapan, namun, hal ini mengurangi pembentukan uap pada tahap suhu tinggi sebelumnya, yang mengurangi efisiensi keseluruhan mengubah radiasi matahari menjadi uap.

Jika Anda menambah jumlah langkah (n ), secara teori, efisiensi akan meningkat, tetapi “bonus” ini akan menjadi kurang ketika jumlah langkah sangat penting dan efisiensi mulai turun karena kehilangan panas yang tak terhindarkan dari dinding samping langkah-langkah.

Untuk menentukan apa nilai-nilai a , b dan n seharusnya , para ilmuwan menciptakan model teoretis.

Model menunjukkan bahwa untuk perangkat seperti itu (tinggi 10 cm), celah udara ( b ) harus 2,5 mm, yang sesuai dengan efisiensi puncak (650%) dari konversi radiasi matahari menjadi uap.

Mengetahui bahwa a = 10 cm dan b= 2,5 mm, Anda dapat mengatur nilai optimal untuk jumlah langkah. Ditemukan bahwa efisiensi instalasi akan meningkat sangat sedikit jika jumlah langkah ( n ) melebihi 20 buah (efisiensi sekitar 600%).

Para ilmuwan memutuskan untuk menggunakan celah udara bukan 2,5, tetapi 5 mm. Dengan demikian, Anda dapat yakin bahwa celahnya lebih besar dari ukuran tetesan khas pada kondensor, maka kondensat tidak akan menyentuh evaporator dan dapat dikumpulkan.

Jumlah langkahnya adalah 10 untuk menunjukkan bahwa perangkat sekecil itu pun dapat bekerja secara efisien.

Mengingat parameter yang dipilih ( a = 10 cm, b = 5 mm dan n = 10), para ilmuwan menyarankan bahwa efisiensi akan menjadi sekitar 417%.

Jangan lupakan dinding sisi tangga, karena kehilangan panas karena peningkatan jumlahnya dapat mengurangi efisiensi perangkat. Oleh karena itu, lapisan isolator setebal 1,27 cm ditambahkan ke samping.

Juga, model teoritis menunjukkan penurunan efisiensi ketika celah udara meningkat menjadi 100 mm (dari 417% menjadi 300%) dan menjadi 1,5 cm (dari 417% menjadi kurang dari 250%).


Gambar No. 2

Hasil simulasi adalah prototipe TMSS, ditunjukkan pada Gambar 2a. Perangkat sepuluh tahap ini terdiri dari sebelas bingkai nilon (Nylon PA12), yang dibuat menggunakan pencetakan 3D. Kolektor surya 10x10 cm yang tersedia secara komersial (B-SX / TL / ZZ-1.88) dipasang di bagian belakang bingkai pertama. Ada juga pelat kaca 10x10 cm dengan ketebalan 1 mm dengan lapisan antirefleksi di bagian depan untuk melindungi kolektor ( 2a ). Aerogel silika monolitik (9.5x9.5 cm dan tebal 5 mm) ditempatkan di antara kolektor surya dan pelat kaca dan berfungsi sebagai isolasi termal transparan. 10 frame yang tersisa identik satu sama lain. Di masing-masing dari mereka, kapasitor dari plat aluminium 10x10 cm dan tebal 0,5 mm ditempatkan ( 2b) Kapasitor dilapisi dengan lapisan Teflon 1 μm, yang memungkinkan tetesan mengalir dan tidak melekat pada kapasitor. Sudut kontak dan muka pada lapisan hidrofobik masing-masing adalah 108,2 ° dan 103,2 ° ( 2c dan 2d ). Histeresis dengan sudut kontak kecil (～ 5 °) membuatnya mudah untuk menghilangkan tetesan kental skala milimeter di bawah aksi gravitasi. Untuk secara efektif mengumpulkan air desalinasi, celah dengan sudut kemiringan ～ 5.7 ° dibuat di bagian bawah bingkai, yang terhubung ke outlet.

Transparansi tinggi (﹥ 95%) gelas dan silika aerogel, serta kapasitas penyerapan tinggi (～ 93%) dari kolektor surya, diukur menggunakan spektrofotometer UV-Vis-NIR ( 2e ).

Yang paling menarik adalah handuk kertas biasa dengan lebar 10 cm dan panjang 15 cm, yang dipasang pada bagian belakang setiap kapasitor ( 2f ), digunakan sebagai sumbu kapiler . Serat selulosa dari handuk ini menghasilkan banyak mikropori dengan diameter mulai dari 10 hingga 100 mikron ( 2g dan 2 jam ), yang menciptakan tekanan kapiler dan menyediakan transportasi air yang cepat.

Total biaya bahan yang digunakan untuk membuat seluruh instalasi adalah sekitar 1,54 dolar. Pada saat yang sama, 70% dari biaya jatuh pada bingkai nilon. Mereka sebagian berlubang, tetapi jika Anda menggunakan bingkai benar-benar kosong, maka biaya akan berkurang.


Gambar No. 3

Penilaian awal karakteristik instalasi yang diuji (skema 3a) dilakukan dalam kondisi laboratorium. Matahari buatan menghasilkan aliran 1000 watt per m 2 .

Untuk penilaian terperinci karakteristik termal, 12 termokopel secara bersamaan digunakan, yang mengukur respons suhu secara waktu nyata: 10 pasang mengontrol suhu evaporator / kondensor setiap tahap ( T 1 - T 10 ); 1 pasang merekam suhu kapasitor tahap terakhir ( T b ) dan 1 pasang lagi mencatat suhu sekitar ( T atm ) ( 2a dan 3a ). Data yang dikumpulkan tentang hilangnya suhu dan massa diproses oleh komputer. Dinamika suhu 10 langkah selama 3 jam ditunjukkan pada3b .

Karena tahan panas tinggi aerogel dan isolasi dinding sisi langkah-langkah, suhu langkah pertama harfiah mencapai 15 ° C dalam 15 menit ( T 1 ), dan kemudian mencapai keadaan stabil 72 ° C. Langkah-langkah yang tersisa juga secara bertahap mencapai kondisi stabil setelah 100 menit dari awal iradiasi.

Meskipun kapasitor terakhir tahap dimasukkan ke dalam tangki air, suhu masih sedikit lebih tinggi dari suhu lingkungan ( T b ~ 25 ° C) dalam keadaan stabil karena tahan panas melalui lembaran aluminium tipis.

Tingkat perubahan massa untuk perangkat 10-tahap secara bertahap meningkat dan dipertahankan pada tingkat konstan ～ 0,89 g / mnt setelah pembentukan kondisi stabil termal.

Dinamika serupa dari perilaku langkah-langkah dijelaskan pada tahap pemodelan ( 3c ), yang mempertimbangkan konsentrasi uap yang bergantung pada suhu dan difusi pada setiap tahap pengaturan.

Air yang terkondensasi mulai mengalir dari outlet tahap pertama sekitar 8 menit setelah menyalakan matahari buatan. Mengikuti itu terjadi dengan langkah-langkah selanjutnya.


Demonstrasi dimulainya instalasi TMSS.

Ketika TMSS memasuki kondisi mantap setelah 100 menit, ada aliran air terus menerus dari semua sepuluh lubang.


Demonstrasi instalasi dalam mode stabil.

Total penurunan berat badan adalah sekitar 150 g, dan sekitar 113 g air dikumpulkan setelah 3 jam operasi. Kehilangan air sebagian besar diwakili oleh tetesan yang tersisa di kondensor, dan kebocoran uap selama operasi instalasi. Jika kita mengurangi kontribusi penguapan dalam kondisi gelap, ternyata
tingkat produksi uap TMSS sepuluh tahap dalam mode stasioner adalah 5,78 l / m 2 per jam.

Selanjutnya, untuk lebih memahami mekanisme perpindahan panas dan massa di dalam TMSS, analisis suhu dan aliran uap dari setiap tahap dalam keadaan stasioner ( 3d ) dilakukan . Suhu setiap tahap dirata-rata selama satu jam pengukuran terakhir (mis., Dari 120 menit hingga 180 menit pengujian).

Pengukuran suhu menunjukkan penurunan linear antara langkah-langkah karena ketahanan termal yang sama dari masing-masing langkah. Untuk menilai kontribusi setiap tahap, konsentrasi uap jenuh dihitung berdasarkan suhu evaporator dan aliran uap.

Aliran uap menunjukkan penurunan eksponensial dengan setiap tahap berikutnya (3d) karena kehilangan panas di dinding samping dan hubungan non-linear antara suhu dan konsentrasi uap. Secara total, tiga langkah pertama memberikan kontribusi terbesar - sekitar 45% dari total aliran uap. Pengamatan dalam praktik ini menunjukkan mengapa menambahkan sejumlah besar langkah akan menjadi tidak efisien dan tidak rasional.

Untuk menunjukkan dengan jelas pentingnya resirkulasi entalpi penguapan, dilakukan analisis komparatif kinerja perangkat sepuluh-tahap dengan satu-tahap. Efisiensi sistem satu tahap hanya 81% (3 ), seperti yang diprediksi oleh model teoritis (sekitar 83%). Output air yang sesuai adalah 1,21 l / m 2 per jam, yang sekitar lima kali lebih kecil dari kapasitas instalasi sepuluh tahap ( 3s ).

Isolasi dinding samping dan kepentingannya juga telah diuji. Dengan tidak adanya isolasi, efisiensi turun menjadi 286%, sedangkan di hadapan isolasi harus mencapai 326% ( 3 ).


Gambar No. 4

Grafik di atas menunjukkan perbandingan efektivitas instalasi TMSS yang diuji (ditandai dengan tanda bintang) dan yang sebelumnya dikembangkan setara. Seperti yang dapat kita lihat, indikator dari instalasi yang dikembangkan benar-benar memecahkan semua catatan.

Indikator penting berikutnya yang diperiksa para peneliti adalah tingkat desalinasi prototipe TMSS menggunakan air dengan kandungan NaCl 3,5% sebagai contoh. Setelah desalinasi, mineralisasi air (0,0005 wt.%) Berkurang empat kali lipat ( 5a ).


Image No. 5

Selain itu, standar internasional untuk air minum, yang ditetapkan oleh Organisasi Kesehatan Dunia, adalah 0,02% berat.

Aspek penting lainnya adalah akumulasi garam, yang dapat mengganggu operasi instalasi yang berkelanjutan. Untuk menguji ketahanan prototipe untuk masalah ini, tes dilakukan di mana instalasi diiradiasi dengan cahaya pada 1500 W / m 2 selama 1,5 jam. Total radiasi matahari laboratorium adalah 5,25 kWh per m 2 , yang melebihi radiasi matahari harian rata-rata tahunan di Amerika Serikat. Ini 3,5 jam disimulasikan hari, setelah itu radiasi dimatikan untuk mensimulasikan malam. Kondisi seperti ini menyebabkan akumulasi garam yang cepat dan pengurangan waktu difusi. Pada 5b menunjukkan dinamika akumulasi dan penolakan garam untuk uji 5,18 jam. Secara umum, evaporator menunjukkan kemampuan tinggi untuk menghilangkan garam selama pengujian.

Akumulasi garam diamati hanya di dua sudut atas, yang memiliki resistensi difusi terbesar, karena mereka berada pada jarak terjauh dari air garam (dinamika akumulasi garam di sudut-sudut ini ditunjukkan oleh garis putus-putus putih pada 5b ).

Garam dua jam pertama tidak menumpuk, karena NaCl memiliki kelarutan difusi yang tinggi dalam air. Tetapi setelah 2 jam, garam mulai mengkristal, dan setelah 3,5 jam, sekitar 45% dari area di sudut 4x4 cm ditutupi dengan garam. Namun, setelah 15 jam operasi normal, garam yang terakumulasi sepenuhnya berdifusi.

Semua hasil tes dan pengamatan di atas diperoleh dalam kondisi laboratorium. Secara alami, kondisi lingkungan tidak dapat dikontrol, seperti di laboratorium. Oleh karena itu, tes serupa dilakukan, tetapi sudah di udara terbuka (tes dilakukan pada Juli 2019).


Gambar No. 6

Prototipe terletak di atap kampus institut ( 6a dan 6b ). Untuk menilai perubahan suhu, 12 termokopel juga digunakan, dan pyranometer digunakan untuk menilai perubahan dalam kejadian fluks matahari. Kamera merekam semua perubahan, termasuk jumlah air yang dikumpulkan dalam silinder khusus dengan volume 100 ml.

Eksperimen terbuka dimulai pada 11:10 waktu setempat dan berakhir pada 16:00. Suhu setiap tahap naik dengan cepat selama jam pertama, ketika suhu kolektor surya melebihi suhu sekitar lebih dari 30 ° C ( 6s ).


Demonstrasi instalasi selama pengujian di tempat terbuka.

Air mulai mengalir keluar dari tahap pertama setelah 20 menit. Fluks surya bervariasi secara signifikan 200-800 W m 2 karena awan yang tersebar ( 6d ), yang menyebabkan fluktuasi suhu kolektor surya ( 6c ). Karena tutupan awan, fluktuasi yang cukup diharapkan dalam suhu kolektor surya dari 50 hingga 65 ° C diamati.

Dalam gambar 6e, terlihat jelas berapa banyak air yang dikumpulkan selama percobaan: 72 ml dalam 4,5 jam, yaitu 2,6 l kW -1 per jam.

Adalah logis bahwa alat sekecil itu tidak akan mampu, mengingat variabilitas cuaca, untuk memenuhi laju air harian bagi manusia (sekitar 3,2 liter). Untuk melakukan ini, Anda perlu merakit berbagai prototipe dengan luas 1 m 2 (10 per 10 buah), yang dapat mengumpulkan sekitar 10-20 liter air per hari, tergantung pada kondisi cuaca dan musim.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog


Dalam karya ini, para ilmuwan menggambarkan karakteristik pabrik desalinasi prototipe mereka menggunakan sinar matahari. Sementara sebagian besar instalasi modern memerlukan investasi finansial besar atau kondisi tertentu (baik alam maupun infrastruktur), prototipe yang dibuat sangat murah dan sangat efektif. Total biaya bahan hanya mencapai 1,54 dolar, dan hasil air 5,7 l m2 per jam.

Para ilmuwan menyebut dasar kreasi mereka suatu pemahaman tentang prinsip-prinsip perpindahan panas dan massa di dalam perangkat yang sedang dikembangkan. Lagi pula, jika Anda tahu apa dan bagaimana yang terjadi dengan berbagai peserta dalam proses, Anda dapat menyesuaikan perilaku mereka.

Masalah air tawar semakin banyak setiap tahun, meskipun banyak yang tidak menyadarinya, karena mereka hidup dalam kondisi akses yang cukup bebas masalah ke sumber daya air. Namun, ada masalah dan tidak bisa diabaikan. Studi ini menunjukkan seberapa efektif perangkat sederhana dan murah yang menerapkan prinsip-prinsip dasar ilmu pengetahuan alam. Semua cerdik itu sederhana. Frasa ini terdengar cukup sering, meskipun kadang-kadang digunakan untuk tujuan lain, tetapi dalam kasus prototipe yang kami periksa hari ini, sangat cocok.

Jumat off-top:

, . , , :)


Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran dan selamat berakhir pekan, semuanya! :)

Sedikit iklan :)


Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda, cloud VPS untuk pengembang dari $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?

More articles:


All Articles