Nakakagawa ng 3.4 litro kada oras ang aparatong solar desalination mula Korea nang walang kuryente

Napakahusay na solar still mula Korea

Nakabuo ang isang pangkat ng mga mananaliksik sa Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) sa South Korea ng aparatong solar-powered para sa desalination na nagtatala ng bilis ng pagsingaw na 3.4 litro kada metro kuwadrado bawat oras sa ilalim ng sikat ng araw na katumbas ng isang araw. Ginagawang maiinom na tubig ng prototype ang tubig-dagat nang walang panlabas na kuryente, gamit ang sikat ng araw at isang makabagong photothermal na materyal na tinatawag na La0.7Sr0.3MnO3. Lutas din ng aparato ang isa sa pinakamahihirap na problema sa solar desalination: ang pag-iipon ng asin sa ibabaw ng evaporator na humaharang sa liwanag at nagpapabagal sa paggana nito. Sa pamamagitan ng paglipat sa natunaw na asin palayo sa mainit na gitna at papunta sa mga gilid, patuloy na gumagana ang sistema sa mahabang panahon habang lumilikha ng malinis na singaw ng tubig na maaaring palamigin upang maging likido.

Pinangunahan ni Propesor Ji Hyun Jang ng School of Energy and Chemical Engineering ng UNIST ang pag-aaral, na inilathala sa Advanced Energy Materials. Pinagsasama nito ang payak na istrukturang sumisipsip ng tubig na yari sa papel at isang photothermal na ibabaw na may mataas na kahusayan. Sa mga pagsusuri sa tibay, matatag na gumana ang aparato nang dalawang linggo sa tubig-alat na may 20 porsiyentong asin, mas mataas kaysa sa 3.5 porsiyentong alat ng karaniwang tubig-dagat. Ayon sa pangkat, maaari ring gamitin ang parehong disenyo sa pagbawi ng mga mapagkukunan, kabilang ang pagpapakristal at pag-ipon ng asin sa mga gilid sa halip na itapon pabalik sa dagat ang tubig-alat na mataas ang konsentrasyon.

Patuloy na tumataas ang interes sa passive solar desalination habang dumaraming rehiyon ang dumaranas ng kakulangan sa tubig. Bilyun-bilyong tao ang walang tuloy-tuloy na akses sa ligtas na inuming tubig, at madalas umasa ang mga pamayanang baybayin sa mga planta ng reverse osmosis na pinatatakbo ng diesel, na magastos paandarin at lumilikha ng maraming tubig-alat na mataas ang konsentrasyon. Maaaring makatulong na punan ang mahahalagang kakulangan ng modular na sistemang lumilikha ng malinis na tubig gamit lamang ang sikat ng araw, kaunting maintenance, at walang koneksiyon sa grid ng kuryente. Tuwirang tumutugon sa pangangailangang ito ang aparato ng UNIST: ipinagpapalit nito ang imprastraktura ng malalaking planta na may mataas na kapasidad sa mga payak na materyal, mahusay na disenyo, at sikat ng araw.

Paano gumagana ang aparato

Gumagamit ang disenyo ng UNIST ng natatanging evaporator na hugis baligtad na L at binuo sa paligid ng papel na sumisipsip ng tubig. Gaya ng litmus paper, hinihigop ng papel paitaas ang tubig-dagat sa pamamagitan ng capillary action. Nasa itaas ng patayong bahagi ang photothermal na sapin na sumisipsip ng liwanag at gawa sa La0.7Sr0.3MnO3, isang perovskite oxide na mahusay magpalit ng papasok na sikat ng araw tungo sa init. Kapag umabot na sa mainit na ibabaw na ito ang tubig-dagat, mabilis itong sumisingaw at naiiwan ang asin. Dumadaloy naman ang singaw ng tubig patungo sa mas malamig na ibabaw, kung saan ito namumuo at naiipon bilang likidong-tabang na tubig.

Mahalagang katangian ng aparato ang direksiyon ng daloy. Dinisenyo ng pangkat ang iisang direksiyon ng paggalaw ng likido sa mainit na ibabaw upang makalikha ng gradient sa konsentrasyon ng asin. Lumilipat ang mga natunaw na ion patungo sa mga bahaging mas mababa ang aktibidad ng tubig malapit sa mga gilid at nagkakristal bilang solidong asin sa mga lugar na hindi nakatatakip sa liwanag. Dahil sa kusang paglilinis na ito, nananatiling bukas sa sikat ng araw ang gitnang photothermal zone habang naiipon ang asin sa mga gilid upang maalis o magamit muli. Ang hugis at daluyan ng likido ang gumagawa sa pangunahing trabaho, kaya nababawasan ang pangangailangan sa mga bomba, lamad, o madalas na manu-manong paglilinis.

Bakit namumukod-tangi ang materyal na La0.7Sr0.3MnO3

Nasa puso ng aparato ang La0.7Sr0.3MnO3, na madalas paikliin bilang LSMO. Isa itong perovskite oxide, isang uri ng materyal na kilala sa nababago nitong katangiang optikal at elektrikal. Di-gaya ng mga halide perovskite na nakabatay sa tingga at karaniwang ginagamit sa mga solar cell, taglay ng LSMO ang lanthanum, strontium, at manganese at hindi ito umaasa sa pabagu-bago o nakalalasong tingga. Dahil dito, kaakit-akit itong gamitin sa mga aplikasyon sa tubig kung saan mahalaga ang katatagan at kaligtasan sa kapaligiran.

Mahusay na photothermal converter ang LSMO dahil sa paraan ng paghawak nito sa mga napupukaw na carrier ng karga sa ilalim ng sikat ng araw. Sa payak na paliwanag, bumubuo ang materyal ng mga trap state sa estrukturang elektroniko nito. Kapag itinataas ng liwanag ang mga elektron tungo sa mas mataas na antas ng enerhiya, marami sa mga ito ang muling nagsasanib nang hindi naglalabas ng liwanag at sa halip ay direktang naglalabas ng enerhiya bilang init. Dahil sa paraang ito na hindi naglalabas ng radyasyon, na madalas tawaging thermalization, malaking bahagi ng papasok na enerhiyang solar ang nagiging init sa ibabaw. Mabilis nitong itinataas ang temperatura at pinabibilis ang pagsingaw sa takdang dami ng sikat ng araw.

Pagtugon sa problema ng asin

Matagal nang hadlang sa solar desalination ang pagdikit at pag-ipon ng asin. Habang sumisingaw ang tubig, tumitindi ang konsentrasyon ng mga natunaw na asin hanggang sa tuluyan itong magkr istal sa mainit na ibabaw. Pinakakalat ng mga kristal ang liwanag at hinaharangan ang paglipat ng init, kaya matarik na bumababa ang bilis ng pagsingaw. Mahusay tumakbo nang ilang oras ang maraming naunang sistema ngunit kinailangan ding linisin o pansamantalang ihinto upang maalis ang asin. Tinutugunan ng pangkat ng UNIST ang hamong ito sa pamamagitan ng hugis at kontroladong daloy, sa halip na gumamit ng masalimuot na mga patong o gumagalaw na piyesa.

Lumilikha ang hugis baligtad na L at daloy sa iisang direksiyon ng tuloy-tuloy na gradient ng asin na nagtutulak sa mga ion palayo sa pinakamaliwanag at pinakamainit na bahagi. Nabubuo at lumalaki ang mga kristal sa mga gilid kung saan madali itong tipunin. Sa mga pagsusuri sa laboratoryo, patuloy na gumana ang aparato nang dalawang linggo kahit sa mga solusyong napakataas ng alat, na may 20 porsiyentong kabuuang natunaw na asin. Karaniwan ang antas na ito sa tubig-alat na itinatapon mula sa mga prosesong industriyal at mas mataas ito nang malaki kaysa sa tubig ng karagatan. Ipinahihiwatig nito na malaki ang reserba para sa paggamit sa totoong tubig-dagat at posibleng gamitin ang sistema sa pagpapakonsentra ng tubig-alat at pagbawi ng mga mapagkukunan.

Paghahambing ng mga bilang sa pagganap

Iniulat ang bilis ng pagsingaw na 3.40 kilo kada metro kuwadrado bawat oras sa ilalim ng sikat ng araw na katumbas ng isang araw. Tumutukoy ang “isang araw” sa karaniwang sikat ng araw sa pagsusuri, na humigit-kumulang isang kilowatt kada metro kuwadrado. Sa katulad na mga pagsusuri, karaniwang nakakalikha ang mga passive solar still ng humigit-kumulang 0.3 hanggang 0.4 kilo kada metro kuwadrado bawat oras, kaya walo hanggang sampung ulit na mas mabilis ang prototype ng UNIST. Sa aktuwal na paggamit, nakadepende ang dami ng tubig na nalilikha bawat araw sa sikat ng araw sa lugar sa buong maghapon at sa kahusayan ng condenser na nagpapalit muli sa singaw bilang likido. Sa ilang oras na matindi ang sikat ng araw, maaaring makalikha ang isang module na may lawak na isang metro kuwadrado at gumagana sa iniulat na bilis ng ilang sampung litro bawat araw. Mas mapalalaki pa ang produksiyon sa pamamagitan ng hanay ng maraming module.

Mahalagang ibukod ang bilis ng pagsingaw sa dami ng naihahatid na inuming tubig. Sinusukat ng bilang mula sa laboratoryo kung gaano karaming masa ang umaalis sa mainit na ibabaw bilang singaw bawat oras. Kailangang tipunin at palamigin ng mga totoong sistema ang halos lahat ng singaw na iyon upang maging malinis na tubig sa imbakan, habang pinabababa ang pagkawala ng init. Makapagpapalapit sa bilis ng evaporator ang kabuuang produksiyon ng sistema kung mahusay ang disenyo ng condenser at thermal insulation, at muling ginagamit ang nakatagong init. Itinuturo rin ng pangkat ng UNIST ang kakayahan ng aparato na umiwas sa pagdikit ng asin bilang mahalagang dahilan ng matatag na produksiyon, dahil napapanatili ng malinis na photothermal na ibabaw ang pagsipsip ng liwanag at paglikha ng init sa paglipas ng panahon.

Paghahambing sa karaniwang desalination

Nangingibabaw ang reverse osmosis sa makabagong desalination. Itinutulak nito ang tubig-dagat sa mga pinong lamad sa ilalim ng mataas na presyon upang makalikha ng maraming tabang na tubig para sa mga lungsod at industriya. May mga kapalit ang ganitong kakayahan. Kumokonsumo ang reverse osmosis ng ilang kilowatt-hour na kuryente kada metro kubiko ng nagagawang tubig, nangangailangan ng paunang paglilinis upang maprotektahan ang mga lamad, at nagtatapon ng tubig-alat na mataas ang konsentrasyon na kailangang pamahalaan nang responsable. Malaki ang puhunan para sa mga planta at karaniwan itong nakakonekta sa grid o sa nakalaang pinagkukunan ng kuryente.

Nakaiiwas sa presyon, mga bomba, at malaking pangangailangan sa kuryente ang passive solar evaporator gaya ng disenyo ng UNIST. Mas kaunti ang nalilikha nitong tubig sa bawat yunit ng oras at lawak, ngunit maaari itong gumana nang walang koneksiyon sa grid, tahimik, at mas payak ang maintenance. Nababawasan din ang dami ng tubig-alat dahil naituturo ang pagkakristal ng asin sa mga gilid. Sa mga lugar na angkop ang klima, maaaring magbigay ng inuming tubig sa mga sambahayan, klinika, o sakahan ang hanay ng mga modular na evaporator, at masuportahan naman ng mas malalaking instalasyon ang pangangailangan ng buong komunidad. Para sa mga lungsod, mas malamang na pandagdag sa malalaking planta na may mataas na kapasidad ang solar evaporation kaysa pamalit sa mga ito: maaari itong magsilbing maaasahang backup o solusyon para sa malalayong komunidad sa dulo ng grid.

Mga gamit at paraan ng paglalagay

Para sa mga lugar na limitado ang suplay ng kuryente mula sa grid at kakaunti ang mga tauhang nagpapanatili ng kagamitan ang aparato. Kabilang dito ang mga pamayanang pulo, nayon ng mga mangingisda, at sakahang baybayin. Gayundin ang mga operasyong pantao matapos ang mga bagyo, lindol, o sigalot na sumisira sa imprastraktura ng tubig. Modular ang konsepto ng pangkat, kaya maaari itong ikabit bilang iisang panel para sa maliliit na pangangailangan o bilang kumpol para sa mas mataas na demand. Dahil tahimik ito at walang kagamitang may mataas na presyon, angkop din ito sa mga paaralan at klinika kung saan mahalaga ang pagiging maaasahan at kaligtasan.

Dahil itinutulak ng disenyo ang asin patungo sa mga gilid, maaari ring gamitin ang sistema sa pagbawi ng mga mapagkukunan. Sa halip na magtapon ng likidong tubig-alat na mataas ang konsentrasyon, maaaring tipunin ng mga operator ang tuyong asin at iba pang mineral na nagkakristal. Makababawas ito sa epekto sa kapaligiran at makalilikha ng kaunting kita. Iminungkahi ng pangkat ang mga bersiyon sa hinaharap na pagsasama-samahin ang maraming evaporator na hugis baligtad na L sa mas malalaking module, upang mas mapadali ang pagkakabit at maintenance sa mismong lugar.

Pagpapalaki ng produksyon at mga hamong teknikal

Nangangailangan ng maingat na pagtugon sa mga materyal, paggawa, at pamamahala ng init ang paglipat mula sa mga prototype sa laboratoryo tungo sa kagamitang gagamitin sa aktuwal na lugar. Kailangang kayanin ng mitsa ng evaporator na yari sa papel ang ilang buwang salit-salit na pagkabasa at pagkatuyo, pagdikit ng mga organismo sa dagat, at pagkabilad sa ultraviolet. Dapat mapanatili ng photothermal na ibabaw ang pagsipsip ng liwanag at pagpapalit nito tungo sa init nang kaunti lamang ang pagkasira. Perovskite oxide ang LSMO at matatag ito sa init, na kapaki-pakinabang. Mahalaga ang mga paraan ng produksiyon sa pagkontrol ng gastos. Makababawas sa gastos at makapagpapahusay ng pagkakapare-pareho ang mga pamamaraang pantay na nagpapahid ng patong sa malalaking ibabaw sa mababang temperatura.

Mahalaga sa kahusayan ng sistema ang kondensasyon at pagbawi ng init. Malaking dami ng nakatagong init ang dala ng bawat kilo ng singaw. Maaaring muling gamitin ang enerhiyang iyon at pataasin ang kabuuang produksiyon kung ikukondensa ang singaw sa mga ibabaw na naglilipat ng init sa papasok na tubig-dagat. Dapat mabawasan ng mga pambalot ang pagkawala ng init at pagtagas ng singaw habang nananatiling madaling linisin. Kailangang pamahalaan sa pamamagitan ng payak na gawain sa paglilinis ang alikabok, wisik ng tubig-dagat, at mga kristal ng asin. Nakahihikayat ang mga pagsusuri ng pangkat sa tibay sa napakataas na alat, ngunit makatutulong ang mga pagsubok nang ilang buwan sa mga baybayin upang mapatunayan ang tibay sa mahabang panahon at matukoy ang pangangailangan sa maintenance. Makakatulong ang pakikipagtulungan sa mga organisasyong nagbibigay-tulong at lokal na utility sa pagsasagawa ng mga pagsubok at paghubog ng disenyo para sa iba’t ibang klima.

Mga usaping pangklima at pangmatagalang pagpapanatili

Malinaw ang mga pakinabang sa klima ng solar desalination para sa mga lugar na walang koneksiyon sa grid. Pinapalitan nito ng sikat ng araw ang kuryente at iniiwasan ang konsumo ng gasolina at emisyon mula sa mga generator na diesel. Mahalaga pa rin ang epekto nito sa buong siklo ng buhay, mula sa pagkuha ng lanthanum at strontium hanggang sa paggawa ng mga absorber at pambalot. Mapahahaba ng matitibay na materyal at payak na pagkakabuo ang buhay ng operasyon at maipamamahagi sa maraming taon ng serbisyo ang carbon na nailabas sa paggawa. Nababawasan kapwa ang paggamit ng enerhiya at ingay dahil walang mga pump na may mataas na presyon, na kapaki-pakinabang sa mga pamayanang baybayin at mga hayop sa ligaw.

Iba ang mga basurang nalilikha nito kumpara sa mga karaniwang planta. Sa pamamagitan ng pagpapakristal ng asin sa mga gilid, maaaring mabawasan ng pamamaraan ng UNIST ang pagtatapon ng tubig-alat na mataas ang konsentrasyon sa mga katubigang malapit sa baybayin. Kung maaari, magagamit muli ang nakolektang asin sa mga prosesong industriyal o maibabalik nang ligtas sa mga palaisdaan ng asin. Kaayon ito ng mga pagsisikap na gawing mas tugma ang desalination sa mga ekosistemang pandagat at sa mga layunin sa malinis na tubig at sanitasyon sa ilalim ng mga pandaigdigang target sa kaunlaran. Habang nagdudulot ang pagbabago ng klima ng mas matitinding tagtuyot at heat wave, magiging bahagi ng maraming lokal na plano sa pag-angkop ang mga praktikal na kagamitang ginagawang ligtas na inuming tubig ang saganang tubig-dagat gamit ang kaunting enerhiya.

Mga Dapat Malaman

• Bumuo ang mga mananaliksik ng UNIST ng aparatong solar desalination na hindi nangangailangan ng kuryente at nagtatala ng 3.40 kilo kada metro kuwadrado bawat oras sa ilalim ng sikat ng araw na katumbas ng isang araw.
• Gumagamit ang disenyo ng mitsa na yari sa papel at hugis baligtad na L upang dalhin ang tubig-dagat sa photothermal na ibabaw.
• La0.7Sr0.3MnO3 ang photothermal na sapin, isang oxide perovskite na nagpapalit ng sikat ng araw tungo sa init sa pamamagitan ng muling pagsasanib na hindi naglalabas ng radyasyon.
• Itinutulak ng daloy sa iisang direksiyon ang asin patungo sa mga gilid, kaya nababawasan ang pagdikit nito at ang pagharang nito sa liwanag sa mainit na gitna.
• Ipinakita ng mga pagsusuri sa tibay na matatag itong gumana nang dalawang linggo sa mga solusyong may 20 porsiyentong asin, na mas mataas kaysa sa karaniwang alat ng tubig-dagat.
• Nakagagawa ang karaniwang passive solar still ng 0.3 hanggang 0.4 kilo kada metro kuwadrado bawat oras, kaya mga walo hanggang sampung ulit na mas mataas ang iniulat na bilis.
• Sinusuportahan ng konsepto ang pag-ani ng asin at binabawasan ang pagtatapon ng likidong tubig-alat kumpara sa maraming karaniwang pamamaraan.
• Maaaring magbigay ng tubig na walang koneksiyon sa grid sa mga nayon, klinika, pulo, at operasyong pangtulong sa sakuna ang mga hanay ng mga module.
• Inilathala ang pananaliksik sa Advanced Energy Materials at pinangunahan ito ni Propesor Ji Hyun Jang, kasama ang pangunahing may-akda na si Dr. Saurav Chaule.
• Ang mga pagsubok sa aktuwal na lugar, disenyo ng condenser, at pagpapalawak ng produksiyon ang magtatakda sa magiging ani at gastos sa totoong paggamit.