Дефицит пресной воды затрагивает более двух миллиардов человек в мире, в первую очередь в засушливых и отдаленных регионах, а также на островах и в прибрежных зонах без источников пресной воды. Изменение климата и рост населения только усугубляют проблему, а существующие методы требуют затрат энергии, обычно электрической.
Возобновляемая энергия может исправить эту ситуацию и необходима этим регионам для питьевого водоснабжения и орошения, используя воду, извлекаемую из атмосферы. (По оценкам, атмосфера содержит около 13 триллионов тонн воды, что в шесть раз превышает количество пресной воды в реках мира; глобальное потепление позволяет воздуху удерживать больше водяного пара, теоретически на 7% на каждый градус Цельсия потепления.)
Теперь инженеры и ученые из Саудовской Аравии и Китая создали систему, которая использует солнечную энергию для извлечения до 3 литров (0,8 галлона) воды на квадратный метр в день из воздуха, чисто пассивным способом, не требующим обслуживания или человеческих операторов. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications .
Система была протестирована путем использования собранной воды для успешного выращивания капусты в течение двух сезонов в Тувале, Саудовская Аравия .
«Мы стремимся внедрить эту технологию для получения воды из воздуха, чтобы компенсировать потребность в воде для устойчивого сельского хозяйства, необходимого для надежного производства продовольствия на Ближнем Востоке», — сказал Юй Хань, соавтор из Южно-Китайского технологического университета.
Существующие системы извлечения атмосферной воды с помощью солнечной энергии (SAWE) обычно основаны на поглощении водяного пара из воздуха. Когда поглощающий материал достигает насыщения, система герметизируется и подвергается воздействию солнечного света, который начинает высвобождение захваченной воды. Они являются улучшением по сравнению с пассивными технологиями извлечения атмосферной воды, такими как сбор тумана и росы, и более доступными в других географических зонах и местах с климатическими ограничениями.
Однако такие системы SAWE допускают только один цикл абсорбции-выделения в день, захватывая влагу ночью и десорбируя ее в течение дня, при этом фаза медленной абсорбции ограничивает количество извлекаемой воды. Их широкое распространение также ограничивается дорогостоящими поглощающими наноматериалами, трудностями масштабирования прототипов, в то время как для переключения циклов требуется либо активная система, склонная к поломкам, либо трудоемкая работа с движущимися частями, что делает системы сложными и энергоемкими.
Для разработки пассивной, эффективной, легко масштабируемой и требующей минимального труда системы группа использовала структуру из нескольких вертикальных микроканалов, называемых мостами переноса масс. Трубки, находящиеся в контейнере, заполнены жидким солевым раствором, который действует как жидкий поглотитель; они использовали хлорид лития.
В зависимости от распределения температуры , область температуры окружающей среды, подвергающаяся воздействию окружающей среды, непрерывно захватывает атмосферную воду и сохраняет ее в контейнере. Когда система получает солнечный свет, поглотитель преобразует свет в тепло и генерирует концентрированный водяной пар в области высокой температуры.
Водяной пар конденсируется на стенке камеры, образуя пресную воду. Более захваченная вода из контейнера абсорбера беспрепятственно перемещается в область высоких температур.
В то же время концентрированная жидкость в области высокой температуры переносится обратно в область температуры окружающей среды посредством диффузии — перемещения молекул из области высокой концентрации в область низкой концентрации — и посредством конвекции — перемещения более горячего раствора с меньшей плотностью через более холодные и плотные области, что обеспечивает непрерывное улавливание водяного пара до тех пор, пока доступен солнечный свет.
Для реализации этой системы команда создала солнечный поглотитель из частично окисленных углеродных нанотрубок на мембране из стекловолокна. Чернота углеродных нанотрубок и улавливающие свет микроструктуры поглощали около 96% солнечного света во влажном состоянии. Они обнаружили, что оптимальные высоты для зоны парообразования и зоны захвата атмосферной воды составляли 3 и 5 см соответственно.
Чтобы протестировать эту установку в течение восьмидневного производственного периода, они использовали восемь часов солнечного освещения, за которыми следовали 16 часов темноты. Они обнаружили, что по мере увеличения относительной влажности с 60% до 90% скорость производства воды увеличивалась с примерно 0,04 до примерно 0,65 килограмма на квадратный метр в час.
В ходе реальных испытаний в полевых условиях в Саудовской Аравии площадь испарения была увеличена до 13,5 см на 24 см, что в 36 раз больше, чем у прототипа. Эта конфигурация производила 2,9 литра на квадратный метр в день, в зависимости от полученной солнечной энергии и относительной влажности.
Эта сумма в четыре раза превышает объем проекта по атмосферным водам от 2021 года и в 27 раз превышает объем SAWE от 2017 года .
В ходе испытаний в Папуа-Новой Гвинее этот показатель увеличился до 4,6 литров на квадратный метр в день. «Примечательно, что собранная вода была успешно использована для автономного орошения Brassica rapa (китайской капусты)», — сказал соавтор Цяоцян Гань из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии, — «что демонстрирует потенциал для садоводства без обслуживания в районах, где нет доступа к источникам жидкой воды».
Дополнительная информация: Кайцзе Ян и др., Атмосферный водоотделитель с солнечным приводом для автономного получения пресной воды и орошения, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50715-0
Информация журнала: Nature Communications
© 2024 Сеть Science X
Исследуйте дальше Небольшие адсорбирующие «ребра» собирают влагу и выделяют жидкость при нагревании.