研究

科学家们3D打印出世界卫生组织标准的太阳能水净化设备

中国和新加坡的研究人员的团队有3D打印了一种能够利用来自太阳光线的热量的设备,使海水安全饮用。

基于一个完全打印的陶瓷核心,科学家的新型净化器有一个集成的太阳能吸收器、隔热器和水输送器,使它能够收集和脱盐,而不需要设置任何设置。该设备的转换效率为98%,也符合世界卫生组织(WHO)的标准,可能使其成为以可持续和节能的方式解决全球水资源短缺的理想选择。

科学家的3D印刷太阳能水净化装置。图像通过ACS应用材料和接口日记。
科学家们的3D打印太阳能水净化设备。图像通过ACS应用材料和接口日记。

通过海水淡化解决干旱

随着全球人口持续上升,气候变化开始构成新的挑战,可以获得安全饮用水的访问变得越来越稀缺。与此同时,地球的海洋占球面积超过70%,但只有2.5%的饮料就足够新鲜,使海水净化技术成为解决全球水资源短缺的潜在解决方案。

虽然目前有一系列反渗透、蒸馏和离子交换脱盐装置,但它们的成本高和能源消耗往往使发展中国家无法获得。因此,为了将水净化带给人们,小型、分布式和节能技术至关重要,因此科学家们越来越多地将太阳能设备原型化,作为一种可持续的替代方案。

然而,虽然这些初始设计中的许多初始设计已经证明了使用阳光净化海水的可行性,但它们通常会在其结构上有限的控制,贷款热效率差。为了实现更高的太阳能蒸气能量转换率,研究人员现在采用了3D印刷作为生产更热效率的装置,这能够以更快的速度蒸发化学品。

一个图表显示的3D打印机净水器的行动。
3D印刷净水器显示出太阳能的蒸气效率为98%。图像通过应用的材料和接口日记。

基于陶瓷的太阳能吸收

利用机器人铸造3D打印技术,科学家们能够生产一种多功能多孔陶瓷网基太阳能吸收体。由于这种材料固有的绝缘性能,结果证明,该部件可以作为设备的水输送器、绝缘体和整体基座,在其上可以安装一个石墨烯吸收体来收集太阳能。

通过精确调整其复杂的陶瓷元素,研究人员还能够用集成的微通道提供,使其能够将水环绕在装置周围并保持其总蒸汽产生速率。因此,该团队的全封闭装置最终表明了将太阳能集中在其吸收器上的能力,而无需散热,并且实现了自我持续的太阳蒸发的快速循环。

有趣的是,在初始测试期间,科学家发现他们可以通过增加吸收器的网状间距来提高水转速度来进一步优化其设备的性能。另外,通过将DesAlinator的吸收器直接定位在多孔底座上,而不使其与其水库接触,该团队能够减少任何热量损失并保持高蒸汽产生速率。

3D印刷净水器后面的材料崩溃。
增加设备网格基础的间距可以让科学家提高其整体性能。图像通过ACS应用材料和接口日记。

在随后的户外实验中,研究人员的设备以每小时0.5升的速度产生淡水,同时除去钠、镁和钾,其浓度达到世界卫生组织标准。科学家们还发现,与棉基吸水性材料相比,陶瓷-石墨烯溶液蒸发矿物质的速度要快两倍多,太阳能-蒸汽效率高达98%。

最终,鉴于其设备的速度和离子抑制功效,团队总结其整体方法是成功,并随着其蒸发器设计的进一步发展,他们认为该技术可以“证明有用”加强商业的表现太阳能蒸汽发生器未来。

科学家们在论文中总结道:“(在测试期间)收集的水在化学杂质方面符合饮用水标准。”“具有鲁棒性、耐久性、无毒性和防污等特性,高效3D打印陶瓷太阳能淡化装置的概念,可以打开更可持续和更绿色的清洁水生产的大门。”

水净化和3D打印

鉴于3D打印技术的设计灵活性和较低的生产成本,该技术正越来越多地被用于开发净化饮用水的创新方法。就在上个月,纽约州立大学布法罗分校科学家开发了一种3D打印技术水净化石墨烯气凝胶这种技术可以扩大规模,用于大型污水处理厂。

同样的,剑桥大学Blue Tap有3D打印氯剂量,可以安装到发展中国家的管道供水系统,使他们的水安全饮用。利用3D打印技术,社会企业能够简化其新型净化装置的设计,使其更容易安装在缺水地区。

在更工业化的层面上,GE研究已获得1430万美元美国国防部高级研究计划局开发一种新型的3D打印设备,它能够从薄空气中生产水。该公司作为为期四年项目的一部分,最终旨在创建一个紧凑,便携式设备,每天都会产生足够的水来供应150名部队。

研究人员的调查结果在题为“用于便携式太阳能脱盐装置的3d打印陶瓷结构的制造该研究由Win Jonhson, Xi Xu, Danwei Zhang, Wei Ting Chua, Yong Hao Tan, Ximeng Liu, Cao Guan, Xuan Hao Tan, Yuemeng Li, Tun Seng Herng, James choo - hong Goh, John Wang, Hui He, and Jun Ding合著。

海水淡化研究是跨部门合作进行的上海交通大学新加坡国立大学西北工业大学

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这张特写图片展示了科学家们的3D打印太阳能水净化装置。图像通过ACS应用材料和接口日记。

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