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$ 1.5紧凑型气凝胶，铝和纸巾蒸馏器



我们的星球在许多方面都是独一无二的，尤其是与太阳系中的邻居相比。地球的大部分表面（约70％）被海洋，海洋，河流和湖泊所占据。但是，这些水储备中只有一小部分是新鲜的。最大的份额是海水和海水，只有当您想要脱水，肾脏有问题并且真的很喜欢在“思想空间”中重新阅读有关空气清新剂的说明时，才可以饮用。换句话说，直接使用盐水所带来的危害大于弊。

今天，我们将与您会面进行一项研究，来自麻省理工学院（美国）的一组科学家开发了一种装置，该装置可利用太阳能对水进行脱盐，而无需任何人工干预。本发明的特征是什么，其工作原理是什么，效果如何？我们从研究小组的报告中了解到这一点。走。

学习基础


尽管地球上有巨大的水资源储备，但由于其中只有一小部分适合消费，世界上近三分之一的人口仍遭受着饮用水短缺的困扰。使用海水作为淡水是解决这一全球性问题的最合乎逻辑且相对容易实现的方法。

正如科学家们自己说的那样，现代海水淡化厂的工作效率很高，但它们也有许多平庸的缺点。其中之一是它们的高成本以及对可支持这种复杂机制的工作的发达基础设施的需求。

使用太阳能的被动脱盐系统也非常有效。但是他们生产的淡水成本很高，更不用说将太阳能转换为淡水的效率低下了。

最近，开发的重点已放在创建更有效的无源系统上。在这样的研​​究框架内，有可能基于太阳热的局域性创建系统。但是，如果蒸发焓*在环境中丢失，太阳辐射到蒸汽的转化效率将低于100％。
蒸发焓* -将液态物质转化为气态物质所需的热量。
科学家认为，提高海水淡化系统效率的关键可以是蒸发焓的收集和再利用。这个想法已经在大型蒸馏厂中实施。但是，对于小型蒸馏设备，会出现某些技术难题。

先前的研究已经证明了紧凑的太阳能热定位系统，该系统可以利用汽化的焓来发电，将海水转化为蒸汽或两者兼而有之。但是，有一种理论认为，这种机制的有效性可能比现在高得多。

我们今天正在考虑的工作的作者指出，总体生产率的基本限制以及淡化厂的相应设计策略尚未得到很好的研究。因此，我们不知道在生产过程中如何精确地创建和改进紧凑，廉价的脱盐系统。

为了解决这个难题，科学家进行了一系列分析以获得关于设备内部传热和传质的基本概念。这些知识可以极大地有助于优化正在创建的脱盐设备，这将更有效地工作。

科学家还创建了一个十阶段 TMSS（热定位多阶段太阳能蒸馏器）的原型。），使用廉价的材料，不会积聚盐分，并显示出创纪录的将太阳辐射转化为蒸汽的效率（385％），每小时生产率为5.78 l / m 2。

研究成果



图1：TMSS原型设计图。

原型的第一阶段（太阳光落在其上）由一层光学透明的二氧化硅（SiO 2，二氧化硅）气凝胶隔热层，一个太阳能收集器，一个毛细管芯*和一个电容器组成。所有这些层都沿着太阳辐射的方向（1a）定位。
毛细作用* -通过狭窄的管子，通道或多孔体（毛细作用芯-来自煤油灯中的毛刺）升高或降低液体的效果。
随后的每个步骤均包含一个毛细管芯和一个被空气隔开的冷凝器（1b）。最后一级的冷凝器位于盐水（高浓度盐水）中，以保持其温度接近环境，从而在每一级提供较大的蒸汽压梯度。

位于二氧化硅层和第一毛细管芯之间的太阳能收集器将太阳能转换成热量。二氧化硅的气凝胶层可抑制由于电导率，对流和辐射引起的太阳能集热器的热损失，这是由于其超低的热导率和在红外范围内的高不透明性。

热能从集热器传递到连接到背面的毛细管芯，盐水在毛细管中由于温度升高而上升并蒸发。蒸汽通过蒸发器和冷凝器之间的气隙，通过冷凝释放热能。在每个阶段都收集冷凝的纯净水，同时释放的热能被转移到下一阶段开始蒸发，从而实现了焓的再循环。

TMSS体系结构通过优化传热和传质的三个关键功能提供了高性能的淡化效果。

首先，汽化焓通过多级构造再循环，其中在前一级中产生的潜热在下一级中用于激活蒸发。

其次，与传统的定位太阳能的方法不同，TMSS体系结构的性能取决于隔热的吸收性材料，该材料在一个界面上提供太阳能的吸收和水的蒸发，TMSS体系结构具有以下功能：太阳能的吸收发生在正面，而而界面加热和产生的烟雾则位于舞台的另​​一侧。

这种设计允许在开发中使用便宜的材料，因为不需要具有吸湿性能的太阳能收集器，也不需要具有一定程度的太阳能吸收能力的特殊毛细芯。

第三，由于薄膜蒸发器与大量盐水（1a）之间的接触面积较小，因此可垂直调整倾斜角度的安装步骤可大大减少杂散热损失。此外，这种结构允许安装在地理或季节变化引起的太阳的不同位置工作。

研究人员指出，为了达到最佳的性能，许多设计参数应进行优化，包括设备的宽度（一），设备每一级之间的气隙厚度（b）和级总数（n）。对于此原型，选择了10 cm的台阶高度，因为它大约等于毛细管芯的长度。确定b和n的选择时要考虑到每个阶段的传热和传质。

例如，减小b可以减小蒸汽传递阻力，但会增加通过间隙的电导率损失。此阶段的电导率损失可在下一阶段重新使用，以加速蒸发，但是，它减少了前一个高温阶段的蒸汽形成，从而降低了将太阳辐射转换为蒸汽的总体效率。

如果您增加步骤数（n），理论上效率会提高，但是当步骤数很关键并且由于步骤侧壁不可避免的热损失而导致效率开始下降时，这种“奖励”就会减少。

为了确定a，b和n的值，科学家创建了一个理论模型。

该模型显示，对于这种设备（高10厘米），气隙（b）应为2.5毫米，这相当于将太阳辐射转换为蒸汽的峰值效率（650％）。

知道a = 10 cm和b= 2.5 mm，您可以为步数设置最佳值。已经发现，如果步骤数（n）超过20个（效率约为600％），则安装效率将非常轻微地提高。

科学家决定使用的气隙不是2.5毫米，而是5毫米。因此，您可以确定间隙大于冷凝器上的典型液滴尺寸，这样冷凝液就不会接触蒸发器并且可以被收集。

步骤数为10，目的是证明即使是这么小的设备也可以有效地工作。

给定选定的参数（a = 10 cm，b = 5 mm和n = 10），科学家建议效率约为417％。

不要忘记台阶的侧壁，因为数量增加导致的热损失会降低设备的效率。因此，在侧面增加了1.27厘米厚的绝缘层

，并且理论模型还显示出当气隙增加到100毫米（从417％到300％）和1.5厘米（从417％到小于250％）时效率降低。


2号

图仿真结果是TMSS原型，如图2a所示。。该设备由10个阶段组成，由11个尼龙框架（尼龙PA12）组成，这些框架是使用3D打印制成的。在第一框架的背面安装了市售的10x10厘米太阳能集热器（B-SX / TL / ZZ-1.88）。还有一块10x10 cm的玻璃板，其厚度为1 mm，正面带有防反射涂层以保护收集器（2a）。将单块二氧化硅气凝胶（9.5x9.5厘米，厚5毫米）放置在太阳能收集器和玻璃板之间，用作透明的隔热材料。其余10帧彼此相同。在每个电容器中，放置一个10x10 cm铝板和0.5 mm厚的电容器（2b）电容器上涂有1μm的特氟龙层，该液滴可让液滴排干而不留在电容器上。疏水涂层上的接触角和前进角分别为108.2°和103.2°（2c和2d）。滞后角小（〜5°）的磁滞使得在重力作用下易于去除毫米级的冷凝液滴。为了有效地收集淡化水，在框架的下部与出口连接了一个倾斜角度约为5.7°的狭缝。

使用UV-Vis-NIR分光光度计（2e）测量了玻璃和二氧化硅气凝胶的高透明度（﹥ 95％），以及太阳能收集器的高吸收能力（〜93％）。

最有趣的是，将附着在每个电容器（2f）背面的10厘米宽，15厘米长的普通纸巾用作毛细管芯。这些毛巾的纤维素纤维会形成许多微孔，直径范围从10到100微米（2g和2h），这会产生毛细压力并提供快速的水传输。

用于创建整个安装的材料的总成本约为1.54美元。同时，尼龙镜架的成本降低了70％。它们是部分中空的，但是如果使用完全中空的框架，则成本会降低。


图3

初步评估测试装置的特性（方案3a））是在实验室条件下进行的。人造太阳产生的流量为1000瓦/米2。

为了详细评估热特性，同时使用了12个热电偶，它们可以实时测量温度响应：10对控制每个阶段的蒸发器/冷凝器（T 1 - T 10）的温度；一对记录了最后一级电容器的温度（T b），另外一对记录了环境温度（T atm）（2a和3a）。收集的有关温度和质量损失的数据由计算机处理。图中显示了10个步骤持续3小时的温度动态3b。

由于气凝胶的高热阻和台阶侧壁的隔离，第一步的温度在15分钟内（T 1）实际上达到了15°C ，然后达到了72°C的稳定状态。从照射开始100分钟后，其余步骤也逐渐达到这种稳定状态。

虽然最后级电容器插入水箱，其温度仍高于环境温度（稍高Ť b以稳定的状态〜25℃）由于通过薄铝片的耐热性。

在建立热稳定状态后，10阶段装置的质量变化率逐渐增加，并保持在〜0.89 g / min的恒定水平。

在建模阶段（3c）中描述了步骤行为的类似动态，该阶段在设置的每个阶段都考虑了温度相关的蒸汽浓度和扩散。

开启人造太阳后大约8分钟，冷凝水开始从第一阶段的出口流出。随后发生的是后续步骤。


演示开始安装TMSS的过程。

当100分钟后TMSS进入稳定状态时，从所有10个孔中连续流出水。


以稳定模式演示安装。

总重量损失约为150 g，操作3小时后收集到约113 g的水。损失的水主要表现为冷凝器上残留的水滴以及设备运行期间的蒸汽泄漏。如果减去在不光照条件下蒸发的贡献，则可以发现
在静态模式下，十级TMSS的蒸汽生产率为5.78 l / m 2每小时。

此外，为了更好地了解TMSS内部的传热和传质机理，对固定状态（3d）内各级的温度和蒸汽流进行了分析。在测量的最后一个小时内（即测试的120分钟至180分钟），平均每个阶段的温度。

温度测量结果显示，由于每个步骤的热阻相同，因此步骤之间的线性下降。为了评估每个阶段的贡献，基于蒸发器的温度和蒸汽流计算了饱和蒸汽的浓度。

由于侧壁上的热损失以及温度和蒸汽浓度之间的非线性关系，蒸汽流量在每个后续阶段（3d）呈指数下降。总之，前三个步骤贡献最大，约占总蒸汽流量的45％。在实践中，这种观察表明，为什么添加大量步骤将效率低下且不合理。

为了清楚地证明再循环汽化焓的重要性，对具有单级的十级装置的性能进行了比较分析。正如理论模型所预测的那样，单级系统的效率仅为81％（3）（约83％）。相应的每小时出水量为1.21 l / m 2，这是十级装置（3s）的容量的五倍左右。

侧壁的绝缘及其重要性也已经过测试。在没有绝缘的情况下，效率降至286％，而在存在绝缘的情况下，效率应达到326％（3）。


图片编号4

上图显示了经过测试的TMSS安装（标有星号）和以前开发的等效产品的有效性的比较。如我们所见，已开发安装的指示器实际上打破了所有记录。

研究人员检查的下一个重要指标是，以NaCl含量为3.5％的水为例，TMSS原型的脱盐度。脱盐后，水（0.0005 wt。％）的矿化减少了四个数量级（5a）。


图片5

此外，世界卫生组织制定的饮用水国际标准为0.02 wt。％。

另一个重要方面是盐分的积聚，这会干扰设备的连续运行。为了测试原型对此问题的抵抗力，进行了一项测试，其中以1500 W / m 2的光照射设备1.5小时。实验室的太阳总辐射量为5.25 kWh / m 2，超过了美国的年平均日太阳辐射量。这3.5小时模拟了白天，之后关闭了辐射以模拟黑夜。这样的条件导致盐的快速积累和扩散时间的减少。在5b上显示了5.18小时测试的累积和排盐动力学。通常，在整个测试过程中，蒸发器显示出较高的除盐能力。

仅在两个上角（其扩散阻力最大）中观察到盐累积，因为它们距盐水最远（这两个角中盐累积的动态由5b处的白色虚线表示）。

由于NaCl在水中的扩散溶解度高，因此最初的两个小时盐没有积累。但是2小时后，盐开始结晶，而3.5小时后，在4x4厘米角上约有45％的面积被盐覆盖。但是，正常运行15小时后，累积的盐会完全扩散。

以上所有测试和观察结果均在实验室条件下获得。自然地，不能像在实验室中那样控制环境条件。因此，进行了类似的测试，但已经在露天进行（该测试于2019年7月进行）。


图片编号6

：原型位于研究所校园的屋顶上（6a和6b）。为了评估温度的变化，还使用了12个热电偶，并且使用了日射强度计来评估入射太阳通量的变化。相机记录了所有变化，包括在专用水瓶中收集的水量，该水量为100毫升。

露天实验始于当地时间11:10，结束于16:00。当太阳能集热器的温度超过环境温度超过30°C（6s）时，每个阶段的温度在第一个小时内迅速上升。


在开放测试期间演示安装。

20分钟后，水开始从第一阶段流出。由于散布的云（6d），太阳通量从200到800 W m 2显着变化，这导致了太阳能收集器（6c）的温度波动。由于云层覆盖，观察到了太阳能收集器温度从50到65°C的相当预期的波动。 在图6e中，可以清楚地看到实验过程中收集了多少水：4.5个小时内收集了72毫升水，即每小时2.6 l kW -1。



在天气变化的情况下，如此小巧的设备将无法满足人类每天的饮水量（约3.2升），这是合乎逻辑的。为此，您需要组装一系列面积为1 m 2（每10件10个）的原型，根据天气条件和季节的不同，每天可以收集约10-20升水。

为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他材料。

结语


在这项工作中，科学家们描述了他们使用日光照射的海水淡化厂原型的特征。尽管大多数现代装置需要大量的资金投入或某些条件（自然条件和基础设施条件），但所创建的原型非常便宜且非常有效。材料的总成本仅为1.54美元，每小时的水产量为5.7 l m2。

科学家将其创造的基础称为对正在开发的设备内部的传热和传质原理的理解。毕竟，如果您知道流程中各个参与者的情况和方式，则可以调整他们的行为。

每年淡水的问题越来越多，尽管许多人没有注意到，因为它们生活在获取水资源的基本无障碍的条件下。但是，这是一个问题，不能忽略。这项研究表明，实现自然科学基本原理的简单廉价的设备将是多么有效。所有的创意都很简单。这个短语听起来常常足够，尽管有时将其用于其他目的，但是就我们今天研究的原型而言，它非常合适。

周五顶峰：

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谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家周末愉快！:)

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