萊斯大學成功將太陽能膜蒸餾海水淡化效率提高了50％以上

水處理網(wǎng)訊:萊斯大學利用太陽能和納米顆粒凈化海水的方法比其發(fā)明者最初認為的更有效。萊斯大學納米光電子實驗室(LANP)的研究人員表示，他們可以通過添加廉價的塑料透鏡將陽光集中到“熱點”，從而將太陽能淡化系統(tǒng)的效率提高50%以上，其研究結(jié)果發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上。萊斯大學布朗工程學院應(yīng)用物理學研究生、論文聯(lián)合第一作者普拉蒂克沙·東加爾（Pratiksha Dongare）說：提高太陽能驅(qū)動系統(tǒng)性能的典型方法是增加太陽能集中器，并引入更多的光。

最大的區(qū)別是使用了相同量的光，并已經(jīng)證明，以低廉的成本重新分配電力并大幅提高純凈水的生產(chǎn)速度是可能的。在傳統(tǒng)的膜蒸餾中，熱鹽水從片狀膜的一邊流過，而冷的過濾水從另一邊流過。溫度差造成蒸汽壓差，使水蒸氣從受熱的一側(cè)穿過膜，進入較冷的低壓一側(cè)。擴大這項技術(shù)的規(guī)模是困難的，因為膜上的溫度差會隨著膜的尺寸增大而減小，從而潔凈水的產(chǎn)量也會減少。

萊斯大學的“納米光敏太陽能膜蒸餾”(NESMD)技術(shù)

通過使用吸光納米顆粒將膜本身轉(zhuǎn)化為太陽能驅(qū)動的加熱元件來解決這一問題。東加爾和同事們，包括這項研究的共同首席作者亞歷山德羅·阿拉巴斯特里（Alessandro Alabastri）在內(nèi)，在膜的頂層涂上了廉價商用納米顆粒，這些納米顆粒的設(shè)計目的是將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，工程師正在努力將這項技術(shù)推廣到?jīng)]有電力供應(yīng)的偏遠地區(qū)。LANP主任娜奧米·哈拉斯（Naomi Halas）和研究科學家奧拉·諾伊曼（Oara Neumann）首次證明了NESMD中使用的概念和粒子。

他們都是這項新研究的共同作者，在本研究中，哈拉斯、東加爾、阿拉巴斯特里、諾伊曼和LANP物理學家彼得·諾德蘭德（Peter Nordlander）發(fā)現(xiàn)，可以利用入射光強度與蒸汽壓力之間固有的、此前未被承認的非線性關(guān)系。物理學家、萊斯大學電氣和計算機工程系德州儀器研究助理教授阿拉巴拉斯提用一個簡單的數(shù)學例子來描述線性關(guān)系和非線性關(guān)系之間的區(qū)別。如果你取任意兩個等于10——7和3、5和5、6和4的數(shù)，如果把它們加起來，總能得到10。

但是如果這個過程是非線性的，可以在加之前把它們平方，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。這比10要好得多，10是線性關(guān)系的最佳值。在NESMD例子中，非線性的改善來自于把陽光集中到小點上，就像一個孩子在陽光明媚的日子里用放大鏡一樣。把光集中在薄膜上的一個小點上，會導(dǎo)致熱量的線性增加，但加熱反過來又會導(dǎo)致蒸汽壓的非線性增加。壓力的增加使更多的凈化蒸汽在更短時間內(nèi)通過膜。

也證明在更小的區(qū)域里有更多光子總是比在整個膜上均勻分布光子要好。作為一名化學家和工程師，花了超過25年的時間在光敏納米材料的使用上開創(chuàng)了先河，這種非線性光學過程提供的效率是重要的，因為缺水是世界上大約一半人的日常現(xiàn)實，而高效的太陽能蒸餾可以改變這一點。除了水凈化，這種非線性光學效應(yīng)還可以改善利用太陽能加熱驅(qū)動光催化等化學過程的技術(shù)。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。

研究/l來自：萊斯大學參考期刊《美國國家科學院院刊》DOI: 10.1073/pnas.1905311116博科園｜科學、科技、科研、科普