工程師將太陽能海水淡化系統(tǒng)的產(chǎn)量提高50％

萊斯大學(xué)用陽光和納米粒子凈化鹽水的太陽能方法甚至比它的創(chuàng)造者首先認(rèn)為的更有效。

賴斯納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室(LANP)的研究人員本周表示，他們可以通過添加便宜的塑料鏡片將太陽光聚集到“熱點(diǎn)”，將太陽能海水淡化系統(tǒng)的效率提高50%以上。結(jié)果可在“ 美國國家科學(xué)院院刊”網(wǎng)站上獲得。

“提高太陽能驅(qū)動系統(tǒng)性能的典型方法是增加太陽能聚光器并帶來更多光線，”賴斯布朗工程學(xué)院應(yīng)用物理專業(yè)研究生，該論文的共同主要作者Pratiksha Dongare說。“這里的最大區(qū)別在于我們使用相同數(shù)量的光。我們已經(jīng)證明，可以低成本地重新分配這種能量，并大大提高純凈水的生產(chǎn)率。”

在傳統(tǒng)的膜蒸餾中，熱的含鹽水流過片狀膜的一側(cè)，而冷卻的過濾水流過另一側(cè)。溫差產(chǎn)生蒸汽壓差，其驅(qū)使水蒸氣從加熱側(cè)通過膜朝向較冷的較低壓側(cè)。擴(kuò)大技術(shù)是困難的，因?yàn)槟さ臏囟炔詈陀纱水a(chǎn)生的清潔水輸出隨膜的尺寸增加而減小。賴斯的“納米光子學(xué)太陽能膜蒸餾”(NESMD)技術(shù)通過使用光吸收納米粒子將膜本身轉(zhuǎn)變?yōu)樘柲茯?qū)動的加熱元件來解決這個問題。

Dongare及其同事，包括研究共同主要作者亞歷山德羅·阿拉巴斯特里(Alessandro Alabastri)，用低成本的市售納米粒子涂覆其膜的頂層，這些納米粒子旨在將80%以上的太陽能轉(zhuǎn)化為熱能。太陽能驅(qū)動的納米顆粒加熱降低了生產(chǎn)成本，賴斯工程師正在努力擴(kuò)大該技術(shù)，以應(yīng)用于無法獲得電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

NESMD中使用的概念和粒子首先在2012年由LANP主任Naomi Halas和研究科學(xué)家Oara Neumann展示，他們都是新研究的共同作者。在本周的研究中，Halas，Dongare，Alabastri，Neumann和LANP物理學(xué)家Peter Nordlander發(fā)現(xiàn)他們可以利用入射光強(qiáng)度和蒸氣壓之間固有的，以前未被認(rèn)識到的非線性關(guān)系。

Alabastri是萊斯電氣和計(jì)算機(jī)工程系的物理學(xué)家和德州儀器研究助理教授，他使用一個簡單的數(shù)學(xué)例子來描述線性和非線性關(guān)系之間的差異。“如果你取任何兩個數(shù)字相等的10 - 7和3，5和5,6和4 - 如果你把它們加在一起，你總會得到10。但是如果這個過程是非線性的，你可能會將它們平方甚至立方體所以，如果我們有九個和一個，那將是九個平方，或81個，加一個平方，等于82.這遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于10，這是你可以用線性關(guān)系做的最好的。“

在NESMD的情況下，非線性改進(jìn)來自于將太陽光聚集成微小的斑點(diǎn)，就像孩子可能在晴天用放大鏡一樣。將光線集中在膜上的微小點(diǎn)上會導(dǎo)致熱量的線性增加，但加熱反過來會產(chǎn)生蒸汽壓的非線性增加。并且增加的壓力迫使更多純化的蒸汽在更短的時間內(nèi)通過膜。

“我們發(fā)現(xiàn)，在更小的區(qū)域內(nèi)擁有更多的光子總是比在整個膜上均勻分布光子更好，”Alabastri說。

Halas是一位化學(xué)家和工程師，他花了超過25年的時間開創(chuàng)了光活化納米材料的使用，他說：“這種非線性光學(xué)過程提供的效率非常重要，因?yàn)槿彼鞘澜缟洗蠹s一半人的日常現(xiàn)實(shí)，有效的太陽能蒸餾可以改變這種

“除了水凈化之外，這種非線性光學(xué)效應(yīng)還可以改善利用太陽能加熱來驅(qū)動光催化等化學(xué)過程的技術(shù)，”Halas說。

例如，LANP正在開發(fā)一種銅基納米顆粒，用于在環(huán)境壓力下將氨轉(zhuǎn)化為氫燃料。

Halas是Stanley C. Moore電氣和計(jì)算機(jī)工程教授，賴斯Smalley-Curl研究所所長，化學(xué)，生物工程，物理和天文學(xué)，材料科學(xué)和納米工程教授。

NESMD正在位于賴斯的納米技術(shù)水處理中心(NEWT)開發(fā)，并于2018年獲得能源部太陽能海水淡化計(jì)劃的研發(fā)資金。