Erkundung der Zukunft der Entsalzung: Ein umfassender Überblick über Grenzflächen-Solarverdampfungssysteme

Von Tsinghua University Press, 26. April 2023

Diagramm der drei allgemeinen Strategien zum Aufbau effizienter Grenzflächen-Solarverdampfungssysteme zur Linderung der weltweiten Süßwasserknappheit. Bildnachweis: Nano Research Energy, Tsinghua University Press

Die ISE-Technologie bietet nachhaltige Lösungen für die Produktion von sauberem Wasser, wobei Forscher Strategien für praktische Anwendungen vorschlagen.

Grenzflächensolare Verdunstung (ISE) ist eine vielversprechende Entsalzungstechnologie, die Sonnenenergie nutzt, um Wasser auf umweltfreundliche und nachhaltige Weise zu reinigen. Forscher haben kürzlich in der Fachzeitschrift Nano Research Energy eine Übersichtsstudie veröffentlicht, in der sie Strategien für den Aufbau effizienter ISE-Systeme untersuchen. Sie bieten fünf Empfehlungen für die Weiterentwicklung der Technologie hin zu praktischen Anwendungen, darunter die Einführung neuer Energiequellen, die Erforschung neuartiger photothermischer Materialien, die Entwicklung innovativer photothermischer Verdampferdesigns, die Verbesserung der Wasserproduktion auf engstem Raum und die Entwicklung groß angelegter ISE-Systeme. Das Team ist davon überzeugt, dass ISE das Potenzial hat, Probleme mit der weltweiten Knappheit an sauberem Wasser anzugehen, erkennt jedoch an, dass noch mehr Arbeit erforderlich ist, um reale Anwendungen voranzutreiben.

Süßwasser ist für das menschliche Leben lebenswichtig und die Süßwasserknappheit ist heute in Teilen der Welt ein kritisches Problem. Wissenschaftler haben in den letzten Jahren große Anstrengungen in die Entwicklung von Entsalzungstechnologien gesteckt, damit aus Meerwasser sauberes Wasser gewonnen werden kann. Die Grenzflächen-Solarverdunstung (ISE) ist eine vielversprechende Technologie, die zur Linderung der weltweiten Süßwasserknappheit beitragen kann. Ein Forscherteam hat eine Übersichtsstudie zu den verfügbaren Strategien für den Aufbau effizienter ISE-Systeme durchgeführt.

Ihre Arbeit wurde kürzlich in der Zeitschrift Nano Research Energy veröffentlicht.

Das Papier des Teams untersucht den Energiezusammenhang in zwei- und dreidimensionalen Solarverdampfern und gibt einen Überblick über die Strategien für Design und Herstellung hocheffizienter ISE-Systeme. Ihre zusammengefasste Arbeit bietet Perspektiven für die Ausrichtung des zukünftigen Designs von ISE-Systemen auf praktische Anwendungen.

ISE ist eine Entsalzungstechnologie, die durch einen sowohl umweltfreundlichen als auch nachhaltigen Prozess Süßwasser produziert. Mit dieser Technologie wird Sonnenenergie genutzt, um Wasser zu verdampfen und zu reinigen. Die Technologie nutzt photothermische Verdampfer, um die Wärme des Sonnenlichts so umzuwandeln, dass sie an der Verdunstungsoberfläche lokalisiert wird, um eine effiziente Dampferzeugung zu ermöglichen, anstatt sie in das Grundwasser und die Umgebung abzuleiten.

Herkömmliche Entsalzungstechnologien wie Membranfiltration und thermische Destillation verbrauchen große Mengen Strom aus fossilen Brennstoffen und gelten daher nicht als umweltfreundlich. Wissenschaftler suchen weiterhin nach neuen Entsalzungstechnologien, die umweltfreundliche und nachhaltige Energiequellen nutzen. Die jüngsten Arbeiten im Bereich ISE-Technologien konzentrierten sich hauptsächlich auf die Optimierung des Energiemanagements. Forscher haben das photothermische Material und das Verdampferdesign verbessert, um eine effizientere Energienutzung zu erreichen. Dies wird auf drei Wegen erreicht: Minimierung des Energieverlusts vom Verdampfungssystem an die Umgebung, Erhöhung des Energieeintrags aus der Umgebung zur Verbesserung des Verdampfungsprozesses und Reduzierung der Verdampfungsenthalpie, damit der Verdampfungsprozess effizienter wird.

Der Bericht des Teams fasst diese Wege zur Verbesserung der praktischen solaren Verdunstungsleistung systematisch zusammen. „Wir zeigen deutlich, dass die Verdampfungsrate entweder durch den Einsatz von Materialien mit hocheffizienter Licht-Wärme-Umwandlung oder durch die Strukturgestaltung modernster Verdampfer mit intelligenten Energiemanagementstrategien deutlich gesteigert werden kann“, sagte Li Yu, Professor an der Universität Technische Universität Shenzhen.

„Zu den Hauptprinzipien für die Erzielung einer hocheffizienten solaren Verdunstung gehören die Vermeidung von Energieverlusten aus den Verdunstungssystemen an die Umwelt, die Erweiterung des Energieeintrags aus der Umgebungsluft und dem Grundwasser, die vollständige Nutzung der bereits in den Verdunstungssystemen vorhandenen Energie und die Verringerung der Verdunstung.“ Enthalpie", sagte Haolan Xu, Professor an der University of South Australia.

Das Team bietet fünf Empfehlungen an, die bei der Umstellung der ISE-Systeme der nächsten Generation auf praktische Anwendungen berücksichtigt werden sollten:

Die erste Empfehlung besteht darin, neue Energiequellen für ISE einzuführen. Da die Intensität des Sonnenlichts erheblich variiert, ist es wichtig, neue Energiequellen für Ganztags-, Allwetter- und Ganzjahres-ISE-Systeme zu erforschen.

The second recommendation is to continuously explore novel photothermal materials. The team suggests that the next-stage development of photothermal materials needs to focus on maximizing the use of thermal energy in both macroscale and micro-nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">nanoskalig.

Die dritte Empfehlung besteht darin, innovative Designs für photothermische Verdampfer zu erkunden. Diese Verdampfer der nächsten Generation sollen die Energieausbeute und Wasserverdunstung maximieren und gleichzeitig den Wasserfluss verbessern, um eine ausgewogene Wasserversorgung und Verdunstung zu gewährleisten.

Die vierte Empfehlung besteht darin, die Wasserproduktion auf begrenztem Raum zu verbessern. In einem ISE-System sind die Wasserverdunstung und -sammlung zwei Hauptbestandteile. Obwohl Forscher sehr hohe solare Verdunstungsraten erreicht haben, wird selten über eine hocheffiziente Wassersammlung berichtet. ISE-Systeme der nächsten Generation müssen über ein hervorragendes Wasserverdampfungsmodul und ein effizientes Dampfkondensationsmodul verfügen, die auf kompaktem Raum Platz finden.

Die fünfte Empfehlung des Teams konzentriert sich auf die Bedeutung der Entwicklung groß angelegter ISE-Systeme für praktische Anwendungen wie Meerwasserentsalzung und Abwasserbehandlung. Sie schlagen vor, kleine Verdampfer als Einheiten herzustellen und zu einem größeren Verbundsystem zusammenzubauen.

Mit Blick auf die Zukunft sieht das Team das Potenzial für ISE-Technologien, die praktische Anwendungen zur Bewältigung des Problems der Süßwasserknappheit bieten. „Im aktuellen Kontext der weltweiten Knappheit an sauberem Wasser und der Befürwortung von Technologien mit geringem CO2-Ausstoß gilt ISE mittlerweile als eine der vielversprechendsten Technologien zur Lösung der globalen Probleme der Knappheit an sauberem Wasser. Es liegt jedoch noch ein langer Weg vor uns, um voranzutreiben.“ „Wir werden die realen Anwendungen der ISE-Technologie vorantreiben“, sagte Yingying Zhang, Professorin an der Tsinghua-Universität.

Referenz: „Neueste Strategien zur Konstruktion effizienter Grenzflächen-Solarverdampfungssysteme“ von Yida Wang, Junqing Hu, Li Yu, Xuan Wu, Yingying Zhang und Haolan Xu, 28. März 2023, Nano Research Energy.DOI: 10.26599/NRE.2023.9120062

Zum Forschungsteam gehören Yida Wang von der Tsinghua University und der University of South Australia; Junqing Hu und Li Yu von der Shenzhen Technology University; Xuan Wu und Haolan Xu von der University of South Australia; und Yingying Zhang von der Tsinghua-Universität.

Die Forschung wird von der National Natural Science Foundation of China, dem National Key Basic Research and Development Program, dem Shenzhen Science and Technology Research Project und dem Australian Research Council finanziert.