Phương pháp khử mặn nước đơn giản bằng năng lượng mặt trời

Một hệ thống tự động khử mặn bằng năng lượng mặt trời do các nhà nghiên cứu tại MIT và Đại học Giao thông Thượng Hải, Trung Quốc phát triển có thể cung cấp hơn 1,5 gallon nước uống mỗi giờ trên mỗi mét vuông diện tích thu năng lượng mặt trời. Các hệ thống như vậy có khả năng cung cấp nguồn nước hiệu quả, chi phí thấp, phục vụ các khu vực ven biển khô cằn.

Bài báo trên tạp chí Energy and Environmental Science đã miêu tả chi tiết hệ thống này: gồm nhiều lớp thiết bị bay hơi và ngưng tụ năng lượng mặt trời phẳng, được xếp thành một hàng dọc và có lớp cách nhiệt trong suốt trên cùng. “Cách tiếp cận mới này rất có ý nghĩa”, Ravi Prasher, giám đốc phòng thí nghiệm hợp tác tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và giáo sư phụ trách kỹ thuật cơ khí tại Đại học California tại Berkeley, nói và chỉ ra “một trong những thách thức trong khử mặn bằng năng lượng mặt trời là hiệu quả thấp do mất năng lượng đáng kể trong quá trình ngưng tụ”. 

Các tác giả hy vọng thiết kế của mình có thể góp phần giảm bớt tình trạng khan hiếm nước ở nước đang phát triển, nơi điện đang khan hiếm nhưng nước biển và ánh sáng mặt trời rất dồi dào.

Yếu tố chính đem lại hiệu quả của hệ thống này là phân kỳ từng giai đoạn để khử muối trong nước. Ở mỗi giai đoạn, nhiệt thoát ra từ giai đoạn trước được khai thác thay vì để lãng phí. Bằng cách này, thiết bị của họ có thể đạt được hiệu quả tới 385% trong chuyển đổi năng lượng của ánh sáng mặt trời thành năng lượng để bốc hơi nước.
Thực chất là một bể chưng cất nhiều lớp dùng năng lượng mặt trời, thiết bị này có một bộ các thành phần bay hơi và ngưng tụ giống như các bộ phận được sử dụng để chưng cất rượu. Nó sử dụng các tấm phẳng để hấp thụ nhiệt và sau đó truyền nhiệt sang một lớp nước để nước bắt đầu bay hơi và ngưng tụ trên tấm tiếp theo. Nước được thu thập trong khi nhiệt từ ngưng tụ hơi được truyền sang lớp tiếp theo nữa.

Khi hơi ngưng tụ trên một bề mặt, nó sẽ giải phóng nhiệt; trong các hệ thống ngưng tụ điển hình, nhiệt đó bị phát tán ra môi trường nhưng trong thiết bị chưng cất đa lớp này, dòng nhiệt được giải phóng đến lớp bay hơi tiếp theo, “tái chế” nhiệt và tăng hiệu quả. “Khi ngưng tụ nước, bạn giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt”, Wang – một tác giả công trình, nói. “Nếu có nhiều giai đoạn, bạn có thể tận dụng được nhiệt đó.»

Thông thường có nhiều lớp làm tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng chưng cất nước nhưng mỗi lớp cũng tăng thêm chi phí và kích thước cho hệ thống. Nhóm nghiên cứu quyết định lựa chọn hệ thống gồm 10 lớp cho thiết bị ban đầu của họ, hệ thống được thử nghiệm trên tầng thượng tòa nhà MIT. Hệ thống này cung cấp nước tinh khiết vượt quá tiêu chuẩn nước uống của thành phố, với tỷ lệ 5,78 lít mỗi mét vuông (khoảng 1,52 gallon mỗi 11 feet vuông), cao gấp hai lần kỷ lục tách nước bằng thiết bị cũ, Wang nói.

Không giống như một số hệ thống khử muối, hệ thống này không có sự tích tụ muối hoặc nước mặn cần phải xử lý sau khi chưng cất nước. Một ưu điểm khác của hệ thống là được chế tạo chủ yếu từ các vật liệu rẻ tiền và sẵn có như tấm hấp thụ năng lượng mặt trời màu đen sẵn có trên thị trường, hay sử dụng khăn giấy làm bước dẫn để đưa nước tiếp xúc với tấm hấp thụ năng lượng mặt trời. Trong hầu hết các nỗ lực khác để tạo ra các hệ thống khử mặn thụ động bằng năng lượng mặt trời, vật liệu hấp thụ năng lượng mặt trời và vật liệu thấm hút đều là các vật liệu chuyên dụng và đắt tiền, Wang nói. 
Thành phần đắt nhất của nguyên mẫu là một lớp aerogel – một dạng vật liệu rắn siêu nhẹ, trong suốt, được sử dụng làm chất cách điện, tuy nhiên nhóm nghiên cứu cho thấy các chất cách điện rẻ hơn khác có thể được sử dụng thay thế.

Wang nhấn mạnh, đóng góp quan trọng của nhóm là tạo nền tảng để tối ưu hóa các hệ thống thụ động đa tầng để khử mặn, có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu và cấu trúc thiết bị, cho phép tối ưu hóa thêm các hệ thống dựa trên quy mô hoạt động, điều kiện và vật liệu khác nhau. □

Hoàng Nam dịch
Nguồn: https://techxplore.com/news/2020-02-simple-solar-powered-desalination.htm