Nanocząsteczki wytwarzają parę bez gotowania wody

Para jest kluczowym składnikiem wielu procesów przemysłowych i handlowych — w tym wytwarzania energii elektrycznej, oczyszczania wody, destylacji alkoholu i sterylizacji sprzętu medycznego.

Jednak wytworzenie tej pary zazwyczaj wymaga ogromnych ilości energii do podgrzania i ostatecznie do zagotowania wody lub innego płynu. Teraz naukowcy z Rice University znaleźli drogę na skróty. Wykorzystując pochłaniające światło nanocząsteczki zawieszone w wodzie, grupa była w stanie zamienić otaczające nanocząsteczki cząsteczki wody w parę, jednocześnie nieznacznie podnosząc temperaturę pozostałej wody. Sztuczka może radykalnie obniżyć koszty wielu procesów wykorzystujących parę.

Zespół Rice wykorzystał soczewkę Fresnela do skupienia światła słonecznego na małej rurce wody zawierającej duże stężenia nanocząsteczek zawieszonych w płynie. Woda, która została schłodzona prawie do zera, zaczęła wytwarzać parę w ciągu pięciu do 20 sekund, w zależności od rodzaju użytych nanocząstek. Zmiany temperatury, ciśnienia i masy ujawniły, że 82 procent światła słonecznego zaabsorbowanego przez nanocząstki trafiło bezpośrednio do wytwarzania pary, podczas gdy tylko 18 procent trafiło do podgrzewania wody.

To nowy sposób na wytwarzanie pary bez wrzącej wody, mówi Naomi Halas, dyrektor Laboratorium Nanofotoniki na Uniwersytecie Rice. Halas mówi, że praca otwiera wiele ciekawych drzwi, jeśli chodzi o to, do czego można wykorzystać parę.

Nowa technika może na przykład doprowadzić do powstania niedrogich urządzeń do wytwarzania pary do oczyszczania wody na małą skalę, sterylizacji narzędzi medycznych i oczyszczania ścieków w krajach rozwijających się o ograniczonych zasobach i infrastrukturze.

Zastosowanie nanocząstek w celu zwiększenia wymiany ciepła w wodzie i innych płynach zostało dobrze zbadane, ale niewielu badaczy rozważało wykorzystanie cząstek do pochłaniania światła i wytwarzania pary.

W bieżącym badaniu Halas i współpracownicy wykorzystali nanocząsteczki zoptymalizowane pod kątem pochłaniania najszerszego możliwego spektrum światła słonecznego. Kiedy światło uderza w cząsteczki, ich temperatura szybko wzrasta do znacznie powyżej 100 °C, temperatury wrzenia wody, powodując parowanie otaczających ją cząsteczek wody.

Dokładny sposób interakcji między cząstkami i cząsteczkami wody pozostaje pewną tajemnicą. Konwencjonalne modele wymiany ciepła sugerują, że zaabsorbowane światło słoneczne powinno rozproszyć się w otaczającym płynie, zanim zagotuje się woda. Wydaje się, że istnieje jakaś bariera termiczna w nanoskali, ponieważ wyraźnie wytwarza parę jak szalona, ​​mówi Halas.

System opracowany przez Halasa i współpracowników wykazał wydajność 24 procent w przekształcaniu światła słonecznego w parę.

Todd Otanicar, inżynier mechanik z University of Tulsa, który nie był zaangażowany w obecne badania, mówi, że odkrycia mogą mieć znaczące implikacje dla wielkoskalowego wytwarzania słonecznej energii cieplnej. Elektrownie słoneczne zazwyczaj wykorzystują skoncentrowane światło słoneczne do podgrzewania płynu, takiego jak olej, który jest następnie wykorzystywany do podgrzewania wody w celu wytworzenia pary. Otanicar szacuje, że dzięki generowaniu pary bezpośrednio z nanocząstek w wodzie, taki system mógłby zwiększyć wydajność o 3 do 5 procent i zaoszczędzić 10 procent kosztów, ponieważ można by zastosować mniej złożoną konstrukcję.

Otanicar ostrzega, że ​​trwałość – zdolność nanocząstek do wielokrotnego pochłaniania światła słonecznego i generowania pary – wciąż musi zostać udowodniona, ale dodaje, że 24-procentowa wydajność osiągnięta w bieżącym badaniu jest zachęcająca. To dopiero początek optymalizacji tego podejścia, mówi.

ukryć