工程師將太陽能海水淡化系統(tǒng)的產量提高50％

萊斯大學用陽光和納米粒子凈化鹽水的太陽能方法甚至比它的創(chuàng)造者首先認為的更有效。

賴斯納米光子學實驗室(LANP)的研究人員本周表示，他們可以通過添加便宜的塑料鏡片將太陽光聚集到“熱點”，將太陽能海水淡化系統(tǒng)的效率提高50%以上。結果可在“ 美國國家科學院院刊”網站上獲得。

“提高太陽能驅動系統(tǒng)性能的典型方法是增加太陽能聚光器并帶來更多光線，”賴斯布朗工程學院應用物理專業(yè)研究生，該論文的共同主要作者Pratiksha Dongare說。“這里的最大區(qū)別在于我們使用相同數(shù)量的光。我們已經證明，可以低成本地重新分配這種能量，并大大提高純凈水的生產率。”

在傳統(tǒng)的膜蒸餾中，熱的含鹽水流過片狀膜的一側，而冷卻的過濾水流過另一側。溫差產生蒸汽壓差，其驅使水蒸氣從加熱側通過膜朝向較冷的較低壓側。擴大技術是困難的，因為膜的溫度差和由此產生的清潔水輸出隨膜的尺寸增加而減小。賴斯的“納米光子學太陽能膜蒸餾”(NESMD)技術通過使用光吸收納米粒子將膜本身轉變?yōu)樘柲茯寗拥募訜嵩斫鉀Q這個問題。

Dongare及其同事，包括研究共同主要作者亞歷山德羅·阿拉巴斯特里(Alessandro Alabastri)，用低成本的市售納米粒子涂覆其膜的頂層，這些納米粒子旨在將80%以上的太陽能轉化為熱能。太陽能驅動的納米顆粒加熱降低了生產成本，賴斯工程師正在努力擴大該技術，以應用于無法獲得電力的偏遠地區(qū)。

NESMD中使用的概念和粒子首先在2012年由LANP主任Naomi Halas和研究科學家Oara Neumann展示，他們都是新研究的共同作者。在本周的研究中，Halas，Dongare，Alabastri，Neumann和LANP物理學家Peter Nordlander發(fā)現(xiàn)他們可以利用入射光強度和蒸氣壓之間固有的，以前未被認識到的非線性關系。

Alabastri是萊斯電氣和計算機工程系的物理學家和德州儀器研究助理教授，他使用一個簡單的數(shù)學例子來描述線性和非線性關系之間的差異。“如果你取任何兩個數(shù)字相等的10 - 7和3，5和5,6和4 - 如果你把它們加在一起，你總會得到10。但是如果這個過程是非線性的，你可能會將它們平方甚至立方體所以，如果我們有九個和一個，那將是九個平方，或81個，加一個平方，等于82.這遠遠好于10，這是你可以用線性關系做的最好的。“

在NESMD的情況下，非線性改進來自于將太陽光聚集成微小的斑點，就像孩子可能在晴天用放大鏡一樣。將光線集中在膜上的微小點上會導致熱量的線性增加，但加熱反過來會產生蒸汽壓的非線性增加。并且增加的壓力迫使更多純化的蒸汽在更短的時間內通過膜。

“我們發(fā)現(xiàn)，在更小的區(qū)域內擁有更多的光子總是比在整個膜上均勻分布光子更好，”Alabastri說。

Halas是一位化學家和工程師，他花了超過25年的時間開創(chuàng)了光活化納米材料的使用，他說：“這種非線性光學過程提供的效率非常重要，因為缺水是世界上大約一半人的日?，F(xiàn)實，有效的太陽能蒸餾可以改變這種

“除了水凈化之外，這種非線性光學效應還可以改善利用太陽能加熱來驅動光催化等化學過程的技術，”Halas說。

例如，LANP正在開發(fā)一種銅基納米顆粒，用于在環(huán)境壓力下將氨轉化為氫燃料。

Halas是Stanley C. Moore電氣和計算機工程教授，賴斯Smalley-Curl研究所所長，化學，生物工程，物理和天文學，材料科學和納米工程教授。

NESMD正在位于賴斯的納米技術水處理中心(NEWT)開發(fā)，并于2018年獲得能源部太陽能海水淡化計劃的研發(fā)資金。