Команда инженеров Университета Райса разработала систему, которая может преобразовать методы опреснения воды, сделав процесс более адаптируемым, устойчивым и дешевым. Новая система, описанная в исследовании, опубликованном в журнале Nature Water, рассчитана на питание от солнечного света и использует творческий подход к рекуперации тепла для увеличения производства воды - как с солнечным светом, так и без него. В отличие от обычных систем, установка изготовлена из неразлагаемых материалов и может работать с рассолами высокой солености.

"Доступ к чистой пресной воде является особенно сложной проблемой в автономных сообществах", - сказал Уильям Шмид, докторант по электротехнике и вычислительной технике в Rice и научный сотрудник Национального научного фонда, исследующий методы повышения эффективности опреснения воды с помощью света. "Мы хотели сосредоточиться на децентрализованных модульных системах опреснения воды".

Термическое опреснение воды включает в себя циклы испарения и конденсации: по мере испарения воды остаются твердые частицы, такие как соли и другие примеси; тем временем водяной пар охлаждается и конденсируется в пресную воду. Испарение расходует энергию на преодоление межмолекулярных сил, которые характеризуют воду в жидкой фазе, а конденсация высвобождает энергию, когда пар снова превращается в жидкость. Чтобы системы термического опреснения были эффективными, энергия, вырабатываемая при переходе между жидкостью и паром, должна рекуперироваться и использоваться повторно.

Новая технология, называемая опреснением с резонансным обменом солнечной тепловой энергией или STREED, использует поток воды и воздушный поток, используя знания физики резонансных систем, таких как маятники и электрические цепи. В резонансных системах энергия естественным образом колеблется между различными формами в повторяющемся цикле, делая это наиболее эффективно на определенных "резонансных" частотах.

Вместо энергии, чередующейся между потенциальной и кинетической, как в маятнике, или колеблющейся взад и вперед между магнитным и электрическим полями, как в настроенной электрической цепи, STREED полностью ориентирован на сохранение энергии, которой обмениваются две встречно текущие жидкости: поток нагретой соленой воды и поток воздуха. При правильной настройке тепло колеблется между этими двумя потоками в резонансном режиме, эффективно накапливая и передавая тепловую энергию даже тогда, когда солнце скрывается за облаками или горизонтом. Благодаря этой автономной "резонансной передаче энергии" STREED не требует внешних технологий накопления энергии, которые увеличивают стоимость и нагрузку на обслуживание всей системы в целом.

"Наше ключевое новшество заключается в использовании знаний электротехники и физики генераторов для корректировки внутренних скоростей потока в системе в соответствии с изменением мощности солнца в течение дня", - сказал Шмид. "Такое светозависимое управление потоком раньше не применялось".

Алейда Мачорро-Ортис, аспирантка программы прикладной физики в Rice и первый автор исследования вместе со Шмидом, сказала, что система работает "надежно и с минимальным обслуживанием круглосуточно".

Система была протестирована в Сан-Маркосе, штат Техас, и в прототипном виде производила до 0,75 литра питьевой воды в час. Команда также провела ряд симуляций, используя профили интенсивности солнечного излучения из разных мест по всей территории США - от облачного Портленда, штат Орегон, до солнечного Альбукерке, штат Нью-Мексико. В целом, эффективность рекуперации воды STREED превзошла системы, использующие статический расход, на 77% в течение репрезентативной недели.

"Это подтверждает идею о том, что, хотя система выигрывает от солнечных мест с точки зрения общего объема производства пресной воды, достижение высокой эффективности преобразования энергии в воду не зависит от высокой интенсивности солнечного излучения", - сказал Мачорро-Ортис.

Большинство опреснительных установок используют технологию обратного осмоса (RO), которая не может эффективно очищать воду с высокой соленостью из-за ограничений, связанных с использованием мембран. Степень извлечения пресной воды RO из морской воды составляет 35-50%, а остальная часть обычно выбрасывается как гиперсоленая вода. Между тем, STREED способен справляться с высокой соленостью без значительного снижения производства или качества воды.

STREED также заменяет тонкие мембраны, используемые во многих системах опреснения воды, чем-то гораздо более простым: воздухом. Вместо более традиционной конструкции с двумя жидкостными каналами, разделенными мембраной, команда использует один нагреваемый канал для загрязненной или соленой воды и смежный канал для воздуха, который уносит водяной пар. Затем пар конденсируется в водовоздушном теплообменнике, оставляя после себя загрязняющие вещества.

"Система более надежна, потому что у нас нет никаких мембран, которые могли бы загрязниться или сломаться", - сказал Алессандро Алабастри, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Rice и автор-корреспондент исследования. "Мы намеренно использовали долговечные материалы, не требующие особого ухода, чтобы сделать систему легко масштабируемой и доступной".

Наоми Халас, профессор университета и профессор электротехники и вычислительной техники Стэнли К. Мура, также является автором-корреспондентом исследования наряду с Алабастри. Дополнительными авторами являются Цянь Е, аспирант Rice; Пратикша Донгаре, бывший преподаватель Rice и старший физик SLB; и Питер Нордландер, заведующий кафедрой физики и астрономии Wiess в Rice и профессор электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом (1842494), Национальным советом Мексики по науке и технологиям (2021-000014-01EXTF-00140), Фондом Роберта А. Уэлча (C-1220 и C-12222) и премией Министерства энергетики за солнечное опреснение. Ответственность за содержание настоящего документа лежит исключительно на авторах и не обязательно отражает официальную точку зрения финансирующих организаций и учреждений.