莱斯大学成功将太阳能膜蒸馏海水淡化效率提高了50%以上

  发布时间: 2019年06月28日 22:02:45   作者: 广丰能源网

北极星水处理网讯:莱斯大学利用太阳能和纳米颗粒净化海水的方法比其发明者最初认为的更有效。莱斯大学纳米光电子实验室(LANP)的研究人员表示,他们可以通过添加廉价的塑料透镜将阳光集中到“热点”,从而将太阳能淡化系统的效率提高50%以上,其研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。莱斯大学布朗工程学院应用物理学研究生、论文联合第一作者普拉蒂克沙·东加尔(Pratiksha Dongare)说:提高太阳能驱动系统性能的典型方法是增加太阳能集中器,并引入更多的光。

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最大的区别是使用了相同量的光,并已经证明,以低廉的成本重新分配电力并大幅提高纯净水的生产速度是可能的。在传统的膜蒸馏中,热盐水从片状膜的一边流过,而冷的过滤水从另一边流过。温度差造成蒸汽压差,使水蒸气从受热的一侧穿过膜,进入较冷的低压一侧。扩大这项技术的规模是困难的,因为膜上的温度差会随着膜的尺寸增大而减小,从而洁净水的产量也会减少。

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莱斯大学的“纳米光敏太阳能膜蒸馏”(NESMD)技术

通过使用吸光纳米颗粒将膜本身转化为太阳能驱动的加热元件来解决这一问题。东加尔和同事们,包括这项研究的共同首席作者亚历山德罗·阿拉巴斯特里(Alessandro Alabastri)在内,在膜的顶层涂上了廉价商用纳米颗粒,这些纳米颗粒的设计目的是将80%以上的太阳能转化为热能。太阳能驱动的纳米颗粒加热降低了生产成本,工程师正在努力将这项技术推广到没有电力供应的偏远地区。LANP主任娜奥米·哈拉斯(Naomi Halas)和研究科学家奥拉·诺伊曼(Oara Neumann)首次证明了NESMD中使用的概念和粒子。

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他们都是这项新研究的共同作者,在本研究中,哈拉斯、东加尔、阿拉巴斯特里、诺伊曼和LANP物理学家彼得·诺德兰德(Peter Nordlander)发现,可以利用入射光强度与蒸汽压力之间固有的、此前未被承认的非线性关系。物理学家、莱斯大学电气和计算机工程系德州仪器研究助理教授阿拉巴拉斯提用一个简单的数学例子来描述线性关系和非线性关系之间的区别。如果你取任意两个等于10——7和3、5和5、6和4的数,如果把它们加起来,总能得到10。

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但是如果这个过程是非线性的,可以在加之前把它们平方,甚至是立方。如果有9和1,那就是9的平方,或者81,加上1的平方,等于82。这比10要好得多,10是线性关系的最佳值。在NESMD例子中,非线性的改善来自于把阳光集中到小点上,就像一个孩子在阳光明媚的日子里用放大镜一样。把光集中在薄膜上的一个小点上,会导致热量的线性增加,但加热反过来又会导致蒸汽压的非线性增加。压力的增加使更多的净化蒸汽在更短时间内通过膜。

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也证明在更小的区域里有更多光子总是比在整个膜上均匀分布光子要好。作为一名化学家和工程师,花了超过25年的时间在光敏纳米材料的使用上开创了先河,这种非线性光学过程提供的效率是重要的,因为缺水是世界上大约一半人的日常现实,而高效的太阳能蒸馏可以改变这一点。除了水净化,这种非线性光学效应还可以改善利用太阳能加热驱动光催化等化学过程的技术。例如,LANP正在开发一种铜基纳米颗粒,用于在环境压力下将氨转化为氢燃料。

研究/l来自:莱斯大学参考期刊《美国国家科学院院刊》DOI: 10.1073/pnas.1905311116博科园|科学、科技、科研、科普

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