美國(guó)萊斯大學(xué)用陽(yáng)光和納米粒子凈化鹽水的太陽(yáng)能方法比先前的預(yù)想更有效。

 

萊斯納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室（LANP）的研究人員本周表示，他們可以通過(guò)添加便宜的塑料鏡片將太陽(yáng)光聚集到“熱點(diǎn)”，從而將太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的效率提高50％以上。

 

這項(xiàng)成果發(fā)表于《 美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》網(wǎng)站。

 

萊斯布朗工程學(xué)院應(yīng)用物理專業(yè)研究生，該論文的共同主要作者普拉蒂克沙·東亞爾（Pratiksha Dongare）說(shuō)：“提高太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的典型方法是增加太陽(yáng)能聚光器，并帶來(lái)更多光線。我們使用相同數(shù)量的光，但可以低成本地重新分配這種能量，并大大提高純凈水的生產(chǎn)率。”

 

在傳統(tǒng)的膜蒸餾中，含鹽熱水流過(guò)片狀膜的一側(cè)，而冷卻的過(guò)濾水流過(guò)另一側(cè)。溫差產(chǎn)生蒸汽壓差，驅(qū)使水蒸氣從加熱側(cè)通過(guò)膜朝向較冷的較低壓側(cè)。擴(kuò)大這種技術(shù)的數(shù)量是困難的，因?yàn)槟さ臏囟炔詈陀纱水a(chǎn)生的清潔水輸出隨膜的尺寸增加而減小。萊斯大學(xué)的“納米光子學(xué)太陽(yáng)能膜蒸餾”（NESMD）技術(shù)通過(guò)使用光吸收納米粒子將膜本身轉(zhuǎn)變?yōu)樘?yáng)能驅(qū)動(dòng)的加熱元件來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

 

 

萊斯大學(xué)的研究人員提高了50%的太陽(yáng)能海水淡化產(chǎn)量

 

東亞爾及其同事，包括研究共同主要作者亞歷山德羅·阿拉巴斯特里（Alessandro Alabastri），用低成本的市售納米粒子涂覆其膜的頂層，這些納米粒子旨在將80％以上的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能。太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的納米顆粒加熱降低了生產(chǎn)成本，萊斯大學(xué)的工程師正在努力擴(kuò)大該技術(shù)，以應(yīng)用于無(wú)法獲得電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

 

“納米光子學(xué)太陽(yáng)能膜蒸餾”方法中使用的概念和粒子首先在2012年由萊斯納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任勞米·哈納斯（Naomi Halas）和研究科學(xué)家?jiàn)W拉·紐曼（Oara Neumann）發(fā)明，他們都是新研究的共同作者。

 

在本周的研究中，哈納斯，東亞爾，阿拉巴斯特里，紐曼和萊斯納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家皮特·諾爾德蘭德（Peter Nordlander）發(fā)現(xiàn)他們可以利用入射光強(qiáng)度和蒸氣壓之間固有的，以前未被認(rèn)識(shí)到的非線性關(guān)系。

 

阿拉巴斯特里是萊斯大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程系的物理學(xué)家和德州儀器研究助理教授，他使用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)例子來(lái)描述線性和非線性關(guān)系之間的差異。他說(shuō)：“如果你取任何兩個(gè)數(shù)字相加等于10的數(shù)字。例如7和3，5和5,6和4，如果你把它們加在一起，你總會(huì)得到10。但是如果這個(gè)過(guò)程是非線性的，你可能會(huì)將它們平方甚至立方。“

 

在“納米光子學(xué)太陽(yáng)能膜蒸餾”的情況下，非線性改進(jìn)來(lái)自于將太陽(yáng)光聚集成微小的斑點(diǎn)，就像在晴天用放大鏡一樣。將光線集中在膜上的微小點(diǎn)上會(huì)導(dǎo)致熱量的線性增加，但加熱反過(guò)來(lái)會(huì)產(chǎn)生蒸汽壓的非線性增加。并且增加的壓力迫使更多純化的蒸汽在更短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)膜。

 

 

將光線集中在膜上的微小點(diǎn)上會(huì)導(dǎo)致熱量的線性增加

 

阿拉巴斯特里說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)，在更小的區(qū)域內(nèi)擁有更多的光總是比在整個(gè)膜上均勻分布光子更好。”

 

哈納斯是一位化學(xué)家和工程師，他花了超過(guò)25年的時(shí)間開(kāi)創(chuàng)了光活化納米材料的使用，他說(shuō)：“這種非線性光學(xué)過(guò)程提供的效率非常重要，因?yàn)槿彼鞘澜缟洗蠹s一半人的日?，F(xiàn)實(shí)，有效的太陽(yáng)能蒸餾可以改變這種情況。除了水凈化之外，這種非線性光學(xué)效應(yīng)還可以改善利用太陽(yáng)能加熱來(lái)驅(qū)動(dòng)光催化等化學(xué)過(guò)程的技術(shù)。”

 

例如，萊斯納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā)一種銅基納米顆粒，用于在環(huán)境壓力下將氨轉(zhuǎn)化為氫燃料。