Новая солнечная технология опреснения воды может сделать пресную воду дешевле бутилированной
Учёные из Института инженерии процессов Китайской академии наук совместно с Шэньчжэньским университетом представили новый прототип солнечной системы опреснения воды, который способен производить пресную воду с нулевыми затратами энергии из электросети. Разработка может значительно снизить стоимость питьевой воды в самых засушливых регионах мира, потенциально сделав её дешевле бутилированной продукции.
Ключевым элементом технологии стала новая трёхмерная фототермическая структура, специально созданная для усиления процесса солнечного испарения. По словам исследователей, после примерно двух лет эксплуатации себестоимость получаемой воды может стать ниже стоимости коммерческой бутилированной воды, что делает метод экономически конкурентоспособным даже в текущих условиях.
Традиционные методы опреснения, такие как обратный осмос, требуют значительных энергозатрат, поскольку морская вода прокачивается через сложные мембраны под высоким давлением. Солнечное испарение считается более экологичным вариантом, однако ранее его эффективность ограничивалась техническими проблемами, связанными с агрегацией наночастиц: самые эффективные светопоглощающие материалы склонны слипаться в воде, что снижает эффективность испарения.
Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали цепи из полиэтилентерефталата (PET), которые связывались с полыми многослойными наносферами (HoMS). В результате формировалась устойчивая трёхмерная структура, в которой полимерные цепи проходили через микроскопические поры наночастиц и после охлаждения образовывали взаимосвязанную систему. Эта конструкция получила название «нанолес», обладающий высокой стабильностью, способностью эффективно поглощать свет и свободно пропускать воду.
Новый материал продемонстрировал скорость испарения на уровне 38,14 кг на квадратный метр в час, что примерно в 8,5 раза превышает показатели ранее разработанных двумерных мембранных систем. По словам профессора Ван Дань, одного из авторов исследования, столь высокая эффективность обусловлена сочетанием фототермического преобразования и улучшенного переноса воды внутри структуры.
Испытания показали, что материал способен поглощать около 90,2% широкого спектра солнечного излучения. Свет многократно рассеивается и отражается внутри трёхмерной решётки, что дополнительно усиливает нагрев. Кроме того, эффект наноконфайнмента снижает энергетический барьер для перехода воды из жидкого состояния в пар, уменьшая общие затраты энергии на испарение почти на 45,7%.
В ходе полевых испытаний исследователи увеличили масштаб установки до устройства площадью 0,75 квадратного метра. В системе использовалась небольшая солнечная панель, которая питала вентилятор для подачи пара в конденсационную камеру, при этом основной процесс полностью обеспечивался солнечной энергией. Установка производила более 20 литров питьевой воды в сутки, чего достаточно для обеспечения примерно десяти человек. Полученная вода соответствовала стандартам Всемирной организации здравоохранения.
Для проверки практического применения опреснённую воду использовали для полива сельскохозяйственных культур, включая шпинат, кукурузу и китайскую капусту. Растения успешно прошли полный цикл роста, что подтвердило пригодность воды для сельскохозяйственных нужд.
Отдельное внимание исследователи уделили долговечности материала, поскольку солнечные технологии часто страдают от деградации под воздействием ультрафиолета. В рамках испытаний материал выдерживал 30 дней воздействия морской воды при высокой скорости вращения, при этом не было зафиксировано разрушения структуры или высвобождения наночастиц. Кроме того, за год эксплуатации в условиях открытой среды система сохранила стабильные рабочие характеристики.
Разработчики отмечают, что технология особенно перспективна для использования в удалённых прибрежных регионах и на островах, где доступ к пресной воде ограничен и дорогостоящ.
Исследование в журнале Advanced Materials.