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麻省理工学院利用创新太阳能系统从空气中提取饮用水

发布日期:2020/10/20

 

 

 

     在麻省理工学院的屋顶上测试了一种新型的两级集水系统(中右)。该设备连接到一台笔记本电脑进行数据采集,并朝向太阳,顶部有一块黑色的太阳能收集板,由此产生的水流入底部的两根管子。


      麻省理工学院工程师们使他们的最初设计更加实用、高效和可扩展。


      麻省理工学院和其他地方的研究人员已经显著提高了一个系统的产量,这个系统可以利用太阳或其他来源的热量直接从空气中提取饮用水,即使在干旱地区也是如此。


      该系统建立在麻省理工学院同一团队的成员三年前最初开发的设计基础上,使该过程更接近于为缺水和电力有限的偏远地区提供实用的水源。这些发现今天(2020年10月14日)发表在《Joule》杂志上,由麻省理工学院机械工程系主任Evelyn Wang教授发表的一篇论文中描述。研究生阿丽娜·拉普丁;还有六名来自麻省理工学院,韩国和犹他州。


      早期的设备证明了小王和她的同事们提供了一个概念验证的系统,就是利用设备内的温差让一种吸附剂材料——收集液体表面画在空气中的水分第二天晚上和释放它。当材料被阳光加热时,被加热的顶部和被遮蔽的底部之间的温差使得水从吸附剂材料中释放出来。然后水在收集板上凝结。


      但这个装置需要使用一种叫做金属有机框架(MOFs)的特殊材料,这种材料价格昂贵且供应有限,而且该系统的水输出量不足以满足实际系统的需要。研究人员说,现在,通过采用第二阶段的解吸和冷凝,并使用现成的吸附剂材料,该设备的产量已经显著提高,其可扩展性也得到了极大的提高。


      Wang说团队觉得“有一个小的原型很好,但是我们怎样才能把它变成一个更可扩展的形式呢?”“设计和材料方面的新进展现在已经导致了这一方向的进展。


      新的设计使用一种叫做沸石的吸附剂材料,而不是MOFs,在这种情况下,沸石是由微孔铁铝磷酸酯组成。这种材料可广泛使用,稳定性好,而且具有合适的吸附剂性能,仅根据典型的昼夜温度波动和阳光加热就能提供高效的产水系统。


      拉普丁开发的两阶段设计巧妙地利用了水在变化阶段时产生的热量。盒子状系统顶部的太阳能吸收板收集太阳的热量,加热沸石,释放出该材料在夜间捕获的水分。蒸汽在集热器上凝结——这个过程也会释放热量。收集板是一块铜片,直接在上面,并与第二沸石层接触,在那里冷凝热被用来释放蒸汽从下一层。从每一层收集到的水滴可以汇集到一个收集槽中。


      在这个过程中,系统的整体生产力,就其每天每平方米太阳能收集面积(LMD)的潜在升来说,大约比早期版本翻了一番,尽管确切的比率取决于当地的温度变化、太阳通量和湿度水平。王说,在大流行限制之前,新系统的最初原型在麻省理工学院的屋顶上进行了测试,该设备的出水速度比早期版本高出“数量级”。


      Wang说,虽然类似的两阶段系统已经被用于其他应用,如海水淡化,但“我认为还没有人真正追求这种方法”,将这种技术用于大气水收集(AWH)。

 

      现有的AWH方法包括雾收集和露水收集,但都有明显的局限性。雾收获仅适用于相对湿度100%,目前只在少数沿海沙漠,当露水收集需要能源密集型制冷提供冷表面的水分凝结,仍然需要至少50%的湿度,这取决于环境温度。

 

     相比之下,新系统可以在湿度低至20%的情况下工作,除了阳光或其他可用的低等级热源外,不需要任何能源输入。


      拉普丁说,关键是这个两阶段的架构;现在,它的有效性已经被证明,人们可以寻找更好的吸附剂材料,可以进一步提高生产率。她说,目前每平方米每天约0.8升水的产量在某些应用中可能足够,但如果通过进一步的微调和材料选择可以提高这一产量,这可能会成为大规模的实际应用。王说,已经有一种材料正在开发中,这种材料的吸附力比这种特殊的沸石大5倍,并可能导致相应的水产量增加。


     该小组继续改进该设备的材料和设计,并使其适应特定应用,例如用于军事野战的便携式版本。这种两级系统也可以适用于其他类型的集水方法,这些方法每天使用多个热循环,由不同的热源提供热量,而不是阳光,因此可以产生更高的日产出。

 

 


来源:腾讯新闻客户端

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