Nieuw inzicht in verdamping: fotonen kunnen ontzilting verbeteren via het fotomoleculaire effect

Temperatuur, luchtvochtigheid, luchtstroming en druk beïnvloeden hoe snel vloeibaar water in damp overgaat. Nieuw onderzoek van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), gepubliceerd in 2023, wijst op een aanvullende rol van licht. De onderzoekers vonden aanwijzingen dat fotonen onder bepaalde omstandigheden aan een water-luchtgrensvlak waterclusters kunnen losmaken, zonder dat hun energie eerst volledig in warmte wordt omgezet.

Bekende factoren bij verdamping

Om de betekenis van de ontdekking te begrijpen, is het nuttig eerst de bekende factoren te bekijken die de verdampingssnelheid beïnvloeden.

1. Warmte:Watermoleculen zijn voortdurend in beweging. Door opname van thermische energie neemt hun gemiddelde bewegingsenergie toe. Moleculen aan het oppervlak met voldoende energie kunnen de aantrekkingskrachten in de vloeistof overwinnen en als damp ontsnappen.
2. Oppervlakte: Het verdampingstempo hangt ook af van het oppervlak van het water. Een groter oppervlak stelt meer moleculen bloot aan de lucht, waar ze kunnen verdampen.
3. Vochtigheid:Hoe dichter de lucht bij het wateroppervlak bij verzadiging is, hoe kleiner de nettoverdamping doorgaans wordt. Bij gelijke temperatuur verdampt water meestal sneller in droge lucht dan in vochtige lucht.
4. Luchtbeweging:Wind of luchtbeweging voert waterdamp boven het oppervlak af en kan zo de plaatselijke luchtvochtigheid verlagen, waardoor verdere verdamping wordt bevorderd.
5. Druk:Een lagere omgevingsdruk verlaagt het kookpunt. De invloed op oppervlakteverdamping hangt ook af van temperatuur, waterdampdruk en de afvoer van damp; koken en verdampen zijn verschillende processen.
6. Temperatuur van het water: Naast externe warmtebronnen is de temperatuur van het water zelf een factor. Warmer water verdampt sneller omdat de moleculen gemiddeld meer energie hebben.

Bij gewone thermische verdamping verlaten moleculen de vloeistof wanneer ze voldoende energie hebben. Temperatuur, vochtigheid, druk, luchtstroming en het blootgestelde oppervlak beïnvloeden de nettoverdampingssnelheid. De studie uit 2023 onderzocht daarnaast een mogelijk rechtstreeks effect van fotonen.

Verdampen, koken en condenseren

De overgang van vloeistof naar gas kan op verschillende manieren plaatsvinden. Daarbij zijn de volgende begrippen van belang.

Verdamping in brede zin:De overgang van een vloeistof naar een gas omvat zowel oppervlakteverdamping als koken. Bij koken ontstaan dampbellen in de vloeistof wanneer de dampdruk gelijk wordt aan de omgevingsdruk.

Condensatie: Bij condensatie gaat damp over in vloeistof, bijvoorbeeld door afkoeling.

Oppervlakteverdamping vindt plaats aan het grensvlak tussen vloeistof en gas en kan ook beneden het kookpunt optreden.

Hoe werd het onderzocht?

Het MIT-team voerde experimenten en simulaties uit met water in een hydrogel: een netwerk dat veel water kan vasthouden. De onderzoekers wilden eerdere metingen begrijpen waarbij meer water verdampte dan op basis van de toegevoerde thermische energie werd verwacht.

Ze belichtten waterhoudende hydrogels met een zonnesimulator en licht van verschillende golflengten, maten het massaverlies en volgden de temperatuur. De lampen waren afgeschermd om extra warmtetoevoer te beperken. De sterkste verdamping trad op bij groen licht rond 520 nanometer. Elektrische verwarming bij vergelijkbare thermische energietoevoer leverde die overschrijding niet op.

Het team verklaarde de waarnemingen met de hypothese dat zichtbare fotonen clusters watermoleculen rechtstreeks aan het grensvlak losmaken. Het noemde dit het fotomoleculaire effect. De resultaten ondersteunen een niet-thermische bijdrage aan de verdamping; licht levert daarbij nog steeds energie en de energiebalans blijft gelden.

Waarom is dit van belang?

Als dit mechanisme verder wordt bevestigd en praktisch benut kan worden, zijn toepassingen denkbaar in industrie en milieuwetenschap. Zo zou gerichte regeling van verdamping nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor materialen, warmtebeheer en systemen voor opslag en terugwinning van energie.

In de landbouw zou nader onderzoek kunnen uitwijzen of beheersing van lichtblootstelling helpt om verdampingsverliezen te beperken en efficiënter met irrigatiewater om te gaan.

Een beter begrip van verdamping aan druppels en andere oppervlakken zou ook kunnen bijdragen aan modellen van wolken, mist en de waterkringloop.

Voor de farmaceutische en voedingsindustrie zijn efficiëntere droogprocessen een mogelijke toepassing, waarbij de snelheid van vochtverwijdering beter zou kunnen worden geregeld.

In gebouwen en stedelijke omgevingen zou het mechanisme mogelijkheden kunnen bieden voor verdampingskoeling op zonne-energie. Dit zijn mogelijke ontwikkelrichtingen, geen in de studie aangetoonde commerciële systemen.

Mogelijke toepassing bij ontzilting

De onderzoekers wezen vooral op ontzilting met zonne-energie als mogelijke toepassing. Een efficiëntere verdampingsstap kan nuttig zijn wanneer de damp vervolgens wordt opgevangen en tot zoet water gecondenseerd.

Bij ontzilting worden opgeloste zouten uit water verwijderd. Dat kan met verdamping en condensatie of met membranen, zoals bij omgekeerde osmose. Zonne-energie kan warmte of elektriciteit leveren. De volgende bedrijven illustreren verschillende activiteiten in deze sector; de studie toont niet aan dat zij het fotomoleculaire effect al toepassen.

Consolidated Water (CWCO ) (NASDAQ: CWCO): Consolidated Water is gevestigd op de Kaaimaneilanden en werd in 1973 opgericht. Het bedrijf ontwerpt, bouwt en exploiteert waterzuiverings- en zeewaterontziltingsinstallaties en gebruikt voor zeewater vooral omgekeerde osmose.

De oorspronkelijke momentopname uit 2023 vermeldde de volgende marktgegevens voor Consolidated Water.

Marktkapitalisatie: $465.675.764

Verwachte koers-winstverhouding voor het volgende jaar: 20,06

Winst per aandeel (EPS): niet beschikbaar

Solar Water Plc: Dit Britse bedrijf ontwikkelde een concept voor ontzilting met een zonnekoepel, bedoeld voor zonnige regio’s met weinig zoet water. NEOM kondigde in 2020 een overeenkomst aan voor een proefproject met deze technologie.

Abengoa:De Spaanse groep heeft ervaring met grootschalige ontziltingsinstallaties en zonne-energieprojecten, onder meer in het Midden-Oosten en Noord-Afrika.

Abengoa kampte jarenlang met financiële problemen. In april 2023 werden productieactiviteiten in een insolventieprocedure toegewezen aan Cox Energy. Efficiëntere water- en energieprocessen blijven voor deze activiteiten van belang.

Deze voorbeelden laten verschillende benaderingen van watervoorziening zien. Ontzilting kan bijdragen aan de zoetwaterbehoefte in droge regio’s, mits ook energiegebruik, kosten en de verwerking van pekel worden beheerst.

Tot slot

Deze bevinding laat zien dat zelfs bij vertrouwde concepten en processen nog nieuwe mechanismen kunnen worden onderzocht. De mogelijke toepassingen lopen uiteen van ontzilting en drogen tot klimaatmodellering en koeling.

Voor bedrijven zoals Consolidated Water, Veolia en Solar Water Plc kunnen nieuwe wetenschappelijke inzichten op termijn ontwikkelingsmogelijkheden bieden. De stap van laboratoriumonderzoek naar een betrouwbare en rendabele toepassing vraagt verdere beproeving.