Solenergidriven polymerteknik halverar avsaltningskostnader

Många delar av den moderna världen är beroende av ofta bortglömd infrastruktur som vägar, hamnar, elledningar osv.

En annan kritisk infrastruktur är vatten, från insamling till rening och behandling av avloppsvatten. Tillgång till rent vatten är inte bara viktigt för vardagslivet och för att hålla föroreningar under kontroll; det är också en vital resurs för tillverkning, datacenter osv.

Tyvärr är den överväldigande majoriteten av vattnet på jorden låst i haven eller i Arktiska och Antarktiska glaciärer, vilket lämnar mindre än 1 % tillgängligt som användbart färskvatten.

Källa: OpenEdu

Det är därför effektiva avsaltningsmetoder som inte förlitar sig på dyra och energikrävande processer kan vara en stor innovation. De kan inte bara hjälpa torra regioner som för närvarande är beroende av sådana kostsamma avsaltningsmetoder, utan också bidra till att producera färskvatten på vilken kust som helst på jorden, där 80 % av världens befolkning redan bor.

Den kumulativa kontrakterade avsaltningskapaciteten har nu överstigit 100 miljoner m³/d, och nästan 60 % av avsaltningskapaciteten är avsedd för mänsklig konsumtion, med redan 21 000 avsaltningsanläggningar för havsvatten över hela världen.

Att göra sådana anläggningar mer effektiva skulle också minska energiförbrukningen och hjälpa till att minska koldioxidutsläppen, ett viktigt steg eftersom den globala uppvärmningen i sig är en faktor i ökenspridning och vattenbrist som gör avsaltning ännu mer nödvändig.

Kinesiska forskare vid Beijing Academy of Science har utvecklat en ny polymer med en ny tredimensionell (3D) fototermisk arkitektur som påskyndar avdunstning, vilket gör solenergidriven avsaltning mycket mer effektiv och minskar energiförbrukningen för avdunstning med 45,7 %. De publicerade sina fynd i Advanced Materials¹, under titeln “Interlocking Stabilized 3D Photothermal Nano-Architectures Enables Distributed Solar Desalination”.

Solenergidriven avsaltning

Det finns många sätt att avlägsna salt från havsvatten för att omvandla det till drickbart färskvatten. För närvarande är den vanligaste storskaliga avsaltningsmetoden omvänd osmos, där högtryckspumpar tvingar vattnet genom specialiserade membran med mikroskopiska porer, vilket separerar rent vatten från lösta salter.

Problemet är att denna process är ganska energikrävande och kräver dyra konstgjorda membran för att utföra arbetet.

Ett alternativ är termiska metoder, som utnyttjar det faktum att när vatten avdunstar lämnas saltet kvar, medan ångan är rent färskvatten. Detta är dock också en energikrävande process.

De flesta torra områden är öknar och kännetecknas av intensivt solljus, vilket gör solljus till den logiska källan för avsaltning.

Det är därför varje material som kan hjälpa avdunstning att ske med mindre energi kan radikalt förändra avsaltnings ekonomin. Till exempel har vi tidigare behandlat hur hydrogel kan hjälpa fotoner att skapa avdunstning oberoende av värme eller hur en jonkoncentrationsprocess kan användas för att skapa en bärbar avsaltningsenhet som vägde mindre än 10 kilogram.

Det som gör den nya polymeren som utvecklats av kinesiska forskare särskilt framträdande är att den kombinerar hållbarhet, enkel tillverkning och verkliga tester som visade dess ekonomiska bärkraft i att producera färskvatten billigare än flaskvatten och som kan användas för odling av grödor.

Solenergidriven avsaltning med polymerer

Maximera solljusexponering

I teorin är användning av solljus för avsaltning den enklaste processen, eftersom den utnyttjar solens värme för att avdunsta vatten. I praktiken kan avdunstningshastigheten bero på många variabler såsom omgivningsvärme, yta, relativ luftfuktighet, luftflöde, tryck och vattnets temperatur.

“Soldriven avdunstning är ett lovande tillvägagångssätt, men dess praktiska implementering hindras ofta av svårigheten att synergistiskt integrera prestanda, hållbarhet och ekonomisk bärkraft”

Hur vatten exponeras för luft och solens strålar kan radikalt förändra avdunstningshastigheten och den energi som krävs. Med detta i åtanke utvecklade forskarna en polymer med unika ihåliga strukturer som är sammankopplade för att maximera avdunstning.

Källa: Advanced Materials

“Strukturen innehåller tätt sammankopplade polymerkedjor med ihåliga skalstrukturer som ger en rekordavdunstning 8,5 gånger högre än tidigare rapporterade hastigheter för teknologin.”

Denna struktur maximerar insamlingen av solljus, vilket minskar den energi som krävs för avdunstning. Totalt minskades energiförbrukningen för avdunstning drastiskt när solabsorptionsgraden var nära det teoretiska maximumet.

“Denna struktur uppvisar 90,2 % bredbandsabsorbering av solenergi och minskar energiförbrukningen för avdunstning med 45,7 %,”

Optimala polymersolfångare

Materialet som användes var Ta₂O₅/C (tantalpentoxid-kol), som både kan absorbera solljus och bilda starka polymermolekylära bindningar. Så fungerar det: polyesterpolymerkedjorna tränger exakt in i den porösa strukturen hos nanokulorna och skapar en “nanoskogs-morfologi”.

Källa: Advanced Materials

Forskaren testade flera kapillarrörslängder för att observera vilken som var bäst för att initiera avdunstning. De fann att med den ihåliga strukturen tillagd nådde PET-kapillärer nästan maximal effektivitet med endast 15 centimeter i längd.

Källa: Advanced Materials

Hållbarhet & kommersiella tillämpningar

Efter 30 dagar i havsvatten var materialet fortfarande opåverkat av både saltet och solljuset, utan någon märkbar skada även när det observerades med elektronmikroskopi. Dessutom upptäcktes inga aktiva fria radikaler när materialet exponerades för ljus, vilket tyder på potentiellt god hållbarhet och pålitlighet vid långvarig användning, eftersom radikaler är en viktig orsak till plasters nedbrytning av solljus.

Forskarnas uppskattning är att materialet kan hålla i år under verkliga förhållanden och behålla sin prestanda, vilket är en förutsättning för alla storskaliga tillämpningar.

De testade också potentialen för massproduktion, med en laboratoriehydrotermalreaktor på 20 liter och en flonzonförenad tunnelugn som skapade 100 g av materialet, och metoden är lätt att tillämpa för mycket större satser på minst tiotals kilogram material.

En fullständig livscykelkostnadsanalys visar att efter två års drift kommer kostnaden för vattenproduktion att falla under den för kommersiellt tillgängligt flaskvatten, vilket demonstrerar betydande ekonomisk konkurrenskraft, åtminstone för dricksvatten i alla områden med tillgång till havet.

Källa: Advanced Materials

Testa prototyper

Forskarna använde sitt material i en 0,75 m² aktiv-kondensationssolavsaltningsenhet. Den producerade mer än 20 liter (5,2 gallon) färskvatten under naturligt solljus, med en kvalitet som uppfyller WHO:s dricksvattenstandard.

Denna produktion är tillräcklig för att tillgodose de grundläggande dagliga dricksvattenbehoven för cirka tio personer, med endast solljus och havsvatten.

Källa: Advanced Materials