Ученые из Китая создали эффективное масштабируемое устройство для опреснения морской воды на основе оксида графена, работающее от солнечной энергии. О своем изобретении исследователи сообщают в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Опреснение за счет солнечной энергии без дополнительных затрат могло бы решить проблему дефицита питьевой воды в регионах с плохо развитой инфраструктурой. Однако до сих пор не было изготовлено прототипов, которые можно было бы превратить в опреснитель, способный с достаточной эффективностью без дополнительной поддержки производить питьевую воду из морской.

Для создания такого устройства необходимо, чтобы, с одной стороны, эффективно поглощалась энергия, а с другой стороны, нагрев был локализован и испарение происходило без дополнительного теплоотвода и потерь. Несмотря на большие успехи в области разработки поглотителей солнечного излучения, во всех существовавших ранее решениях поглотители контактировали с объемом воды. При такой конфигурации поглощенное тепло передавалось всему ее объему и расходовалось неэффективно. Устранить этот недостаток можно было только за счет ограничения объема воды, что делало все решения не применимыми в реальных условиях.

Авторы нового исследования разработали конструкцию, которая представляет собой таблетку теплоизолятора (пенополистерола), обернутую целлюлозой и накрытую пластинкой оксида графена. За счет капиллярных сил вода втягивается в целлюлозу и подается к поглотителю солнечной энергии (пластинке оксида графена). Из-за того, что сам нагреватель отделен от общего объема воды теплоизолятором, потери тепла минимизируются. Исследователи проверяли различные характеристики устройства, такие как распределение температуры в процессе работы, эффективность нагрева и «потери массы» (испарение), и провели опреснение контрольных образцов морской воды.

Структуры из оксида графена широко используются для взаимодействия с водой, например, для ее очистки от механических примесей. Adrien Nicolaï / RPI

(A) Дизайн устройства, в котором поглотитель контактирует со всем объемом воды (B-C) Дизайн устройства, в котором на поглотитель капиллярным способом подается тонкий слой воды

В результате КПД нового устройства держится на уровне примерно 80 процентов даже при увеличении объема воды, температура воды в объеме повышается незначительно, и нагрев преимущественно локализован на поверхности оксида графена. Даже при долгом облучении такой опреснитель обеспечивает линейную зависимость количества произведенного пара от времени. Во всех случаях после использования устройства соленость опресненной воды оказывалась ниже стандарта, принятого для питьевой воды (200 миллиграмм на литр).

(А) Зависимость эффективности опреснения (ось X) от высоты столба воды (ось Y) под поглотителем: красная линия — обычный опреснитель, черная — усовершенствованный; (B) Содержание соли в воде (ось Y) до опреснения новой установкой (красные бары) и после опреснения (черные бары) в разных морях (по оси X слева направо: Северное море, Красное море, среднее значение)

Оксид графена был выбран в качестве поглощающего материала не случайно. Он недорогой, легко масштабируемый, эффективно поглощает солнечную энергию во всем спектре. Пористая структура обеспечивает эффективную подачу воды и отвод пара. К тому же материал легко складывается и раскладывается много раз, что важно, например, при транспортировке устройства. Таким образом, предложенное авторами исследования устройство может обеспечивать необходимый выход пресной воды при адекватных затратах на производство и транспортировку.

Ученые активно исследуют необычные свойства оксида графена: выяснилось, например, что на оксидных пленках можно рисовать токопроводящие схемы, а с помощью инфракрасного света листы оксида графена можно научить шагать.

Автор: Екатерина Жданова