Солнечный испаритель из графена и хлопка помог эффективно и дешево опреснить воду

Ученые разработали устройство на основе графена и нетканого хлопкового материала, которое позволяет с эффективностью до 97% очищать и опреснять воду. Производство прибора не требует дорогостоящих материалов и сложных технологий, благодаря чему оно будет перспективно для засушливых регионов и территорий, где доступ к пресной воде ограничен. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Solar Energy.

Засушливые регионы по всему миру сталкиваются с острой нехваткой чистой пресной воды. Решить эту проблему можно с помощью солнечной дистилляции — экологически чистой технологии, при которой для опреснения и очистки соленой воды используют энергию света. При нагреве солнцем вода, помещенная в прибор-дистиллятор, испаряется и уже опресненная и очищенная конденсируется на стенках, после чего собирается в отдельную емкость. Однако такие испарители недостаточно эффективны и имеют сложную конструкцию, из-за чего они оказываются недоступными для отдаленных регионов с плохо развитой инфраструктурой.

Ученые из Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт» (Москва) разработали простой и дешевый в производстве солнечный испаритель на основе нетканого хлопка, модифицированного графеновыми хлопьями. Такой состав авторы выбрали потому, что графен эффективно поглощает солнечный свет и преобразует его в тепло, а хлопковый материал обеспечивает быструю подачу воды к зоне испарения. Так, ранее исследователи доказали, что нанохлопья графена почти в два раза ускоряют испарение жидкостей и увеличивают эффективность преобразования ими солнечной энергии в тепловую на 48%. Благодаря этому предложенный материал позволяет избежать потери тепла и упрощает удаление соли из воды.

Устройство состоит из камеры, в которую подается вода, требующая очистки и опреснения. На нее сверху помещается плавучая теплоизоляционная платформа с дистиллирующим хлопковым материалом. Проходя через него, вода в виде пара попадает в резервуар для конденсации и сбора.

Исследователи протестировали прибор, поместив его под искусственный свет, по спектру имитирующий солнечный. Измеряя, сколько воды испаряется в таких условиях, авторы оценили эффективность дистилляции.

Испарители, предложенные в более ранних исследованиях, имели небольшую площадь рабочей поверхности — от 1 до 12,5 квадратных сантиметров. При этом их скорость испарения достигала от 1,3 до 1,7 килограммов воды на квадратный метр поверхности за один час. Новый прототип имеет большую поверхность — 14,5 квадратных сантиметров — и при стандартном солнечном излучении испаряет примерно 1,9 килограммов воды на квадратный метр поверхности за один час с эффективностью 96–98%. При увеличении интенсивности света в 2,5 раза скорость испарения достигла 4,48 килограммов пара на квадратный метр за час. Даже при работе с водой, концентрация соли в которой достигала 3,5% (почти в два раза больше солености Черного моря), система практически не потеряла в производительности.

Еще одно преимущество устройства заключается в том, что оно способно к самоочистке: соль, накапливающаяся на поверхности хлопкового материала, растворяется при его погружении в резервуар с водой, ожидающей очистки. При этом испаритель спроектирован так, что его рабочий слой можно, не вынимая, погрузить в воду, например, после цикла работы. Это упрощает эксплуатацию прибора и продлевает его срок службы.

Единственным недостатком разработанного материала была ненадежная фиксация графена в матрице нетканого полотна, что приводило к его частичному вымыванию во время очистки. Однако авторам удалось решить эту проблему, закрепив графеновые хлопья в гидрогелевой матрице на основе поливинилового спирта и полиэтиленгликоля. Такая структура эффективно предотвращает потерю фототермического компонента и препятствует образованию солевых отложений. Интеграция этого композита с нетканой хлопковой подложкой позволила повысить механическую прочность и улучшить капиллярный транспорт воды материалом.

Испытания прототипов солнечных испарителей, изготовленных из новых мембран, показали, что они превосходят большинство существующих аналогов, включая предыдущий вариант с несвязанными графеновыми хлопьями. При стандартном солнечном излучении устройство с рабочей площадью около 20 квадратных сантиметров обеспечило стабильную скорость испарения до 2,4 килограмма дистиллированной воды в расчете на квадратный метр за один час. При использовании вместо дистиллированной воды 3,5% солевого раствора скорость испарения составила 2,2 килограмма на квадратный метр за один час.

«Разработанный нами испаритель сочетает высокую эффективность, простоту и низкую стоимость благодаря простой конструкции и дешевым материалам. Поэтому технология будет доступна для регионов, где невозможно использовать другие методы опреснения. В будущем мы планируем оптимизировать конструкцию, чтобы повысить ее устойчивость к высоким концентрациям соли и сделать систему еще более простой для масштабирования», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Инна Михайлова, кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского отдела «Гидродинамика и теплоперенос при испарении, кипении и конденсации рабочих жидкостей на поверхности гибридных графеновых композитов применительно к перспективным направлениям традиционной и альтернативной энергетики» НИУ «Московский энергетический институт».