Enerhiya
Pag-ani ng Tubig mula sa Atmospera – Paano Maaaring Paunlarin ng Paggamit ng Grabit ang Teknolohiyang Ito
Idagdag ang Securities.io sa mga gusto mong mapagkunan sa Google
Ang tubig ay marahil ang pinakamahalagang yaman na kinakaharap ng ating planeta. Bagaman sumasaklaw ito ng 70% ng ating planeta, ang tubig-tabang, ang tubig na ginagamit natin upang uminom, maligo, o magpatubig ng ating mga bukirin, ay kakaunti. Tanging 3% lamang ng tubig sa mundo ang tubig-tabang. Higit pa rito, dalawang-katlo ng 3% na iyon ay nasa nagyeyelong mga glacier o hindi magagamit.
Ang resulta ng kakulangan sa tubig ay isang bagay na makikita sa buong mundo. Sa buong mundo, halos 1.1 bilyong tao ang walang access sa tubig. Kabuuang 2.7 bilyong tao sa mundo ang nakararanas ng kakulangan sa tubig nang hindi bababa sa isang buwan sa isang taon.
Ang kakulangan sa tubig ay nagdudulot din ng maraming iba pang problema, tulad ng hindi sapat na sanitasyon, isang suliranin para sa 2.4 bilyong tao na nagiging bulnerable at nalalantad sa mga sakit tulad ng kolera at typhoid, at marami pang iba pang nakamamatay na sakit sa pagtatae.
Ang lumalaking populasyon at ang patuloy na lumalawak na pangangailangan para sa tubig ay palaging nagbabanggaan. Habang mas dumarami ang populasyon ng ating planeta, mas lumalala rin ang stress sa mga sistemang pang-tubig nito.
Ang tumataas na antas ng polusyon ay nagdulot ng pinsala sa mga ilog, lawa, at aquifer ng planeta. Ang mas nakababalisa pa ay higit sa kalahati ng mga latian sa mundo ang nawala.
Kung mabigo ang komunidad ng agham na umunlad kasabay ng panahon at magbigay ng mga solusyon upang labanan ang banta ng paglipas ng tubig, hindi magkakaroon ng sapat na tubig ang ating mga sistemang agrikultural sa lalong madaling panahon, na magdudulot ng kawalan ng seguridad sa pagkain at marami pang iba.
Gayunpaman, sa kabutihang palad, handa ang komunidad ng agham sa hamon sa buong mundo. Ngayon, tatalakayin natin ang isa sa mga makabagong solusyon sa susunod na bahagi at magsasagawa ng mas malalim na pagsusuri.
Kagamitan na Nagkuha ng Tubig mula sa Hangin Gamit Lamang ang Grabit
Isang koponan ng internasyonal na mananaliksik, pinamumunuan ng Propesor Qiaoqiang Gan ng KAUST, ay nagdisenyo ng isang kagamitan na maaaring potensyal na tumakbo nang walang kuryente at kumuha ng tubig mula sa hangin gamit lamang ang grabitasyon. Ang kagamitan, na wala nang pangangailangan para sa magastos na suplay ng enerhiya, ay maaaring gawin gamit ang mura at madaling makuhang mga materyales.
Ang papel ng eksperimento, na pinamagatang ‘Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting’, ay naglalayong gawing mas epektibo ang pag-ani ng tubig mula sa atmospera.
Ang proseso ng pag-ani ng tubig ay lubos na bumubuti sa radiative cooling. Ang radiative cooling ay gumagana sa pamamagitan ng malakihang pagpapababa ng temperatura ng condenser sa ibaba ng ambient na antas at ginagawang posible ang pag-ani ng tubig mula sa atmospera nang walang karagdagang enerhiya.
Isang suliranin na kinahaharap ng mga sistemang radiative cooling ay ang hamon ng tradisyonal na mga condenser na nakaharap sa kalangitan na may mababang cooling power density, at ang mga patak ng tubig na nananatiling nakadikit sa ibabaw, na nangangailangan ng aktibong pagkolekta ng kondensado.
Ipinanukala ng pananaliksik ang solusyon sa problemang ito: isang lubricated surface (LS) coating — binubuo ng lubos na scalable na polydimethylsiloxane elastomer na nilubricate ng silicone oil na inilalapat sa gilid ng condenser sa isang patayong double-sided na arkitektura.
Maraming benepisyo ang disenyo. Una, epektibong nadodoble nito ang lokal na cooling power.
Pangalawa, inaalis nito ang contact-line pinning, na nagbibigay-daan sa pasibong pagkolekta ng tubig na pinapagana ng grabitasyon. Ang resulta ay napalakas na kapasidad ng AWH mula sa isang 0 × 30 cm2 na sample sa mga panlabas na kapaligiran, na walang artipisyal na daloy ng humidified na hangin.
Ang pasibong rate ng pagkolekta ng tubig ng lubricated surface (LS) coating ay umabot sa 21 g m−2 h−1, doble kumpara sa superhydrophobic na ibabaw na 10 g m−2 h−1. Mas maganda pa ang pagganap sa loob ng gusali, kung saan naabot ng sistema ang rate ng kondensasyon na hanggang 87% ng teoretikal na limitasyon na may hanggang 90% ng kabuuang kondensado na pasibong nakolekta.
Mga Benepisyo ng Tamang Pag-ani ng Tubig mula sa Atmospera
Ang atmospera ay may anim na beses na mas maraming tubig kaysa sa kabuuang sariwang tubig ng lahat ng ilog ng mundo. Ayon kay Propesor Gan:
“Maaaring makolekta ang tubig na ito sa pamamagitan ng mga teknolohiyang pag-ani ng tubig mula sa atmospera.”
At kapag ang proseso ay ginagawa nang mahusay gamit ang solusyong nabanggit sa itaas, ito ay nagiging mas kapaki-pakinabang para sa mga gumagamit nito. Habang pinalalawak ang mga benepisyo ng sistema, sinabi ni Propesor Dan Daniel, isa sa mga post-doctorate sa research group ni Propesor Gan, ang mga sumusunod,
“Hindi kumokonsumo ng anumang kuryente ang sistema, na nagdudulot ng pagtitipid sa enerhiya. Bukod pa rito, hindi ito umaasa sa anumang mekanikal na bahagi tulad ng mga compressor o bentilador, na nagpapababa ng pangangalaga kumpara sa tradisyonal na mga sistema, na nagdudulot ng karagdagang pagtitipid.”
Sa mga obserbasyon ni Dan Daniel, isang iba pang post-doctorate ng koponan, si Shakeel Ahmad, ay nagdagdag:
“Epektibong inalis ng aming coating ang pinning, na nagbibigay-daan sa tunay na pasibong pagkolekta ng tubig na pinapagana ng tubig.”
Sa kabuuan, pinapabuti ng sistema ang kalidad ng pag-ani ng tubig mula sa atmospera nang malaki, ginagawa ang AWH na isang tunay na solusyon sa mundong patuloy na nagkakaroon ng kakulangan sa tubig.
Mga Pagsulong sa mga Sistema ng Pag-ani ng Tubig mula sa Atmospera
Noong Oktubre 2023, isang artikulo na inilathala sa siyentipikong journal na pinamagatang Energy ang nagsagawa ng komprehensibong pagsusuri ng mga teknik, pagganap, solusyon sa renewable energy, at kakayahang maisakatuparan kaugnay ng pamamaraan ng AWH. Binibigyang-diin ng pagsusuri ang Pag-ani ng Tubig mula sa Atmospera bilang isang napakalaking pinagmumulan ng sariwang tubig na may 12,900 km³.
“Ang mga sistema ng pag-ani ng tubig mula sa atmospera ay nakakuha ng kasikatan sa mga nagdaang taon dahil nag-aalok ito ng napapanatiling pinagmumulan ng tubig sa mga tuyong rehiyon.”
Sa mga susunod na bahagi, titingnan natin ang ilan sa mga pagsulong na ito, kabilang ang dehumidifying, condensing, vapor compression refrigeration cycles (VCRCs), thermoelectric coolers (TECs), mga yunit ng air conditioning, fuel cells, at mga integrated system.
Pag-dehumidify at Kondensasyon
Ang mga teknolohiyang pag-ani ng tubig sa pamamagitan ng dehumidification ay kumukuha ng enerhiya mula sa solar, hangin, o elektrisidad. Ang mga teknolohiyang ito ay maaaring batay sa compressor/refrigerant o sa desiccant.
Ang unang uri ay gumagana sa pamamagitan ng dew point condensation at nagbibigay ng malamig na ibabaw kung saan maaaring mag-kondensa ang singaw ng tubig, habang ang ikalawang uri ay nag-saturate ng singaw ng tubig gamit ang sorbent na pagkatapos ay pinainit, at ang supersaturated na singaw ng tubig ay nagkondensa sa ibabaw kapag nakikipag-ugnayan sa mas malamig na ambient na hangin.
Mga Vapor Compression Refrigeration Cycle (VCRCs)
Ang prosesong ito ay tumutukoy sa isang mekanismo kung saan ang singaw ay kinokomprima, pagkatapos ay kinokondensa gamit ang tubig o hangin, at pinalalawak sa mababang presyon at kaakibat na mababang temperatura sa pamamagitan ng balbula o makina na may power takeoff.
Thermoelectric Coolers
Noong 2023, ang International Information and Engineering Technology Association (IIETA) ay naglathala ng pag-aaral tungkol sa pag-ani ng tubig mula sa atmospera gamit ang teknolohiyang thermoelectric cooling.
Layunin ng pag-aaral na tuklasin ang potensyal ng hangin sa atmospera bilang alternatibong mapagkukunan ng malinis na tubig upang mapagaan ang kakulangan sa tubig sa Indonesia, isang bansa na may average na atmospheric humidity na 75% hanggang 85%.
Gumamit ang mga mananaliksik ng thermoelectric cooler (TEC 1-12706), na sinamahan ng heatsink at bentilador sa mainit na bahagi upang mapabuti ang paglabas ng init. Ang copper na cooling coil ay nagsilbing parehong heat absorber at condenser para sa hangin sa atmospera na dumadaloy dito.
Ang pinagmumulan ng paglamig para sa coil (diameter=7.9mm; length=1000mm) ay kinuha mula sa isang water block na nakakabit sa malamig na bahagi ng cooler. Ang mga setting para sa eksperimento ay kinabibilangan ng lahat ng posibleng kapaligiran, kabilang ang laboratoryo, residential area, at coastal area, na may iba-ibang airflow rate ng heatsink cooling fan.
Nakolekta ang datos sa saklaw ng humidity na 72.27%-83.01% at ipinakita ng mga resulta ang direktang ugnayan sa pagitan ng air mass flow rate ng heatsink cooling fan at ng dami ng tubig na maaaring makuha mula sa hangin.
Nagbigay din ang eksperimento ng kawili-wiling pananaw tungkol sa epekto ng uri ng kapaligiran sa dami ng hangin na na-extract, dahil mas maraming tubig ang maaaring makuha sa baybayin kaysa sa mga laboratoryo at residential areas.
Mas partikular, ang air mass flow rate ay 0.092 kg/s sa mga coastal area, at ang tubig na maaaring makuha ay 7.75 ml/oras. Sa setting ng laboratoryo, bumaba ang pagganap sa 5.5 ml/oras, at sa residential areas, ito ay 4.75 ml/oras. Naiintindihan ng mga mananaliksik na maaari nilang mapataas ang pagkuha ng tubig sa pamamagitan ng pag-maximize ng contact surface sa pagitan ng air cooler at ng coil surface.
Mga Yunit ng Air Conditioning
Noong Hunyo 2024, isang papel na pananaliksik na inilathala sa journal na Case Studies in Chemical and Environmental Engineering ay sinuri ang posibilidad ng produksyon ng tubig mula sa mga sistema ng air conditioning bilang isang hindi tradisyonal na pinagmumulan.
Mas partikular, sinuri ng pag-aaral ang pisikal at kemikal na katangian ng kondensadong tubig at inimbestigahan ang presensya ng mabibigat na metal sa mga nakolektang sample ng condensate water na ginawa ng mga sistema ng air conditioning.
Layunin ng pagsusuri na matiyak na ang kalidad ng tubig ay tumutugma sa mga pamantayan ng Jordanian para sa inuming tubig at sa mga alituntunin ng FAO para sa layunin ng irigasyon.
Isinagawa ang pag-aaral sa Jordan na kabilang sa mga pinaka-ekonomikong mahihirap na bansa sa buong mundo pagdating sa renewable freshwater resources, na may kakaunting per capita na availability na humigit-kumulang 61 cubic meters noong 2021.
Ipinakita ng mga resulta ng pagsusuri na ang mga sample ay karamihan ay sumusunod sa mga pinahihintulutang limitasyon na tinukoy ng parehong gabay sa inuming tubig (mas mababa sa 20 °C) at ng mga pamantayan para sa treated water na ginagamit sa irigasyon (mas mababa sa 25 °C). Ang saklaw ng temperatura ng mga sample ay nasa pagitan ng 16 °C at 20 °C, na may average na 18 °C, habang ang mga pH value ng mga condensate water sample ay nag-iba mula 7.16 hanggang 7.25, na may average na 7.20.
Fuel Cells
Isa pang pananaliksik, na inilathala sa Disyembre 2020 na isyu ng Applied Energy, ay nagmungkahi na muling gamitin ang electrochemical water ng fuel cell para sa vapor compression cycle-based atmospheric water generator (VCC-AWG).
Gumamit ang mekanismo ng solusyon ng flue gas ng fuel cell na pumasok sa VCC-AWG sa mas mataas na relative humidity kaysa sa natural na hangin sa atmospera habang dumadaan ito sa ambient heat exchanger upang alisin ang electrochemical waste heat.
Ipinanukala ng mga siyentipiko na ang mas mataas na relative humidity ay maaaring magpataas ng freshwater yield kada enerhiya na inilalagay. Ipinakita ng mga resulta na sa relative humidity na 0.75, ang pagdagdag ng 2 Kilowatt na fuel cell ay nag-generate ng hanggang 3 kg/oras ng sariwang tubig, na 50% mas mataas kaysa kung wala ang Fuel Cell.
Sa specific energy consumption na 200 Wh/kg, maaaring i-integrate ang VCC-AWG na may kaunting pagsasakripisyo sa output ng FC power.
Integrated Systems
Sa huli, ilang mananaliksik din ang nagmungkahi ng mga makabagong integrated system na pinagsasama ang desiccant wheels at evaporator coolers upang maghatid ng parehong malamig na hangin at kondensadong tubig.
Higit sa lahat, ang mga integrated system na ito ay nagpakita ng kahanga-hangang kakayahan sa pag-ani ng tubig sa mga tuyong kapaligiran. Halimbawa, ayon sa datos mula sa isang eksperimento, isang one cubic meter na dehumidifier system ay maaaring magbigay sa isang pamilyang Qatari ng higit sa 15 l ng sariwang tubig araw-araw sa ilalim ng relative humidity na 50–70%.
Habang patuloy na sinusuri ng mga komunidad ng agham sa buong mundo ang mga posibilidad ng pag-ani ng tubig mula sa atmospera at itinutulak ang mga hangganan nito, ang mga kumpanya ay nagdala ng mga solusyon na angkop para sa malawakang pag-aampon. Sa mga susunod na bahagi, titingnan natin nang maikli ang ilang mga kumpanyang ito.
#1. Atoco
Pinagmulan: Atoco
Ang teknolohiyang pag-ani ng tubig ng Atoco ay kayang kumuha at lumikha ng purong tubig mula sa atmospera, kahit sa tuyo na kondisyon na may relative humidity na mas mababa sa 20%.
Katulad ng pananaliksik na sinimulan natin ang talakayan, ang solusyon ng Atoco ay maaaring gumana sa pasibong mode nang walang paggamit ng kuryente, na nagbibigay-daan sa off-grid na operasyon na may zero carbon footprint.
Ang kalidad ng tubig na lumalabas bilang resulta ng paggamit ng Atoco ng mga bagong reticular na materyales ay napaka-puro, na hindi nangangailangan ng karagdagang filtrasyon. Ganap itong sumusunod sa mga pandaigdigang pamantayan, kabilang ang WHO at EPA standards para sa inuming tubig at FAO water quality para sa mga layuning agrikultural.
Itinatag ni Prop. Omar Yaghi – ang ama ng reticular chemistry – naniniwala ang Atoco na maaari nitong harapin ang sanhi at epekto ng pagbabago ng klima at tugunan ang global warming at kakulangan sa tubig sa pamamagitan ng pagbuo ng napapanatiling, matibay, at transformational na mga solusyon sa larangan ng pag-ani ng tubig mula sa atmospera.
#2. Watergen
Ang Watergen, isang nangungunang Israeli na kumpanya at pandaigdigang lider sa merkado ng atmospheric drinking water devices (AWG), ay nag-aalok ng mga makina na lumilikha ng inuming tubig nang pinakaepektibo at ekonomikong posibleng paraan. Ang mga solusyon nito ay naroroon sa higit sa 65 bansa sa buong mundo.
Ang komersyal na solusyon nitong Gen-L ay maaaring mag-produce ng hanggang 6,000 litro araw-araw, habang ang maliit na solusyon na Genny ay nag-aalok ng 30 litro araw-araw. Mayroon itong mga solusyon para sa bawat uri ng pangangailangan sa pagitan ng dalawang terminal na ito.
Noong 2022, inanunsyo ng Watergen ang isang estratehikong joint venture sa SMV Jaipuria Group na may planong pamumuhunan na higit sa USD 50 milyon sa susunod na 2-3 taon para dalhin ang mga produktong water-from-air technology sa India.
Mga Pangwakas na Salita
Sa kabuuan, handa na ang mundo na harapin ang mga hamon ng kakulangan sa tubig sa pamamagitan ng mahusay na paggamit ng isa pang likas na yaman na sagana natin: ang hangin sa atmospera.
Gayunpaman, kailangan pang magsagawa ng mas maraming gawain upang palawakin ang mga hangganan sa pamamagitan ng pagpapababa ng gastos sa produksyon at paggawa ng mga proseso na napapanatiling pangkapaligiran nang walang o minimal na paggamit ng enerhiya.
Marami sa mga bansang may kakulangan sa tubig ay mababang kita na ekonomiya. Kailangan nilang mabigyan ng mga solusyon na abot-kaya para sa masa at maipakalat sa pinaka-maginhawang paraan.
