Verdampingsvijvers, die in veel industrieën vaak worden gebruikt om afvalwater te beheren, kan hectares overspannen, nemen een grote voetafdruk in en vormen vaak risico's voor vogels en andere dieren in het wild. Toch zijn ze een economische manier om met verontreinigd water om te gaan, omdat ze profiteren van natuurlijke verdamping onder zonlicht om grote hoeveelheden vuil water te reduceren tot veel kleinere hoeveelheden vast afval.

Nu hebben onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy een manier aangetoond om de verdampingssnelheid te verdubbelen door zonne-energie te gebruiken en te profiteren van de inherente eigenschappen van water. De studie, onder leiding van Berkeley Lab-wetenschappers Akanksha Menon en Ravi Prasher, staat vandaag in het journaal Natuur Duurzaamheid .

Verdampingsvijvers worden gebruikt bij elektriciteitscentrales, ontziltingsinstallaties, in de olie- en gasindustrie, en ook voor lithiumextractie, waarin lithiumrijke pekel wordt gepompt in uitgestrekte, kunstmatige zoutvijvers. Ze zijn gebruikelijk in China, Australië, Europa, het Midden-Oosten, en delen van de Verenigde Staten waar het klimaat geschikt is (droog of halfdroog met veel zonneschijn), en deze vijvers kunnen zo groot zijn als honderden voetbalvelden, met velen van hen die naast elkaar zitten.

"Dit is een groot maatschappelijk probleem dat we proberen op te lossen. Ofwel om het afvalwater af te voeren of om een ​​waardevol zout zoals lithium te winnen, u de verdampingssnelheid drastisch en schaalbaar wilt verhogen, " zei Prasher, een expert in thermische energie die ook dienst doet als associate director van Berkeley Lab voor de Energy Technologies Area. "Als we dat zouden kunnen, die hun impact op het milieu zouden kunnen verminderen door de benodigde hoeveelheid land te verminderen."

Om de waterterugwinning uit industrieel afvalwater en ontziltingspekel te maximaliseren, er is een druk geweest om "nul vloeistofafvoer" te bereiken, zodat het uiteindelijke afval een vaste stof is. Het proces omvat een reeks behandelingsstappen, en de laatste stap is vaak een verdampingsvijver. Menon, een postdoctoraal onderzoeker van Berkeley Lab, merkt op dat er veel ideeën zijn geopperd om zonne-energie te gebruiken om de verdampingssnelheid te versnellen.

"Er zijn de afgelopen vijf jaar verschillende artikelen gepubliceerd, " zei ze. "De meeste hebben betrekking op zonlichtabsorberende structuren die op het wateroppervlak drijven, als een zwarte spons, om de warmte te lokaliseren, aangezien verdamping een oppervlakteverschijnsel is."

Helaas hebben dergelijke poreuze structuren de neiging om verstopt te raken met de verontreinigingen die ze proberen te scheiden. "Dus na verloop van tijd de prestatie van de drijvende absorbers daalt drastisch, "Zei Menon. "Soms zullen de zouten aan het oppervlak blijven plakken en zonlicht weerkaatsen in plaats van het te absorberen."

De golflengte van zonlicht transformeren

De onderzoekers van Berkeley Lab zochten naar een oplossing om dergelijke problemen te voorkomen. "We realiseerden ons dat als je kijkt naar de eigenschappen van water, het heeft een zeer sterke absorptie in het midden-infrarode golflengtebereik, "Zei Menon. "Als je midden-infrarood licht op water schijnt, het absorbeert het zo sterk dat het al die warmte vasthoudt in een heel dun laagje."

Het team besloot een apparaat te bouwen dat ze vergelijken met een "stralingstransformator, " die energie uit zonlicht haalt in het bereik van 400 tot 1, 500 nanometer en zet het om in 3, 000 nanometer of meer, die zich in het midden-infraroodbereik bevindt.

De wetenschappers van Berkeley Lab demonstreerden het concept in het lab met een verzadigde oplossing van tafelzout. In hun experiment hebben hun prototype-apparaat verbeterde de verdampingssnelheid met meer dan 100% ten opzichte van natuurlijke verdamping. Ze voegen eraan toe dat er een potentieel is om de verdamping met 160% te verhogen door het thermische ontwerp te optimaliseren.

Hun fotothermisch apparaat - een vlakke plaat die aan de ene kant selectief zonne-energie absorbeert en aan de andere kant midden-infrarode energie uitstraalt - zit als een paraplu boven het water in een verdampingsvijver. "Een site kan een reeks van deze parasols hebben, waarschijnlijk zittend op tentpalen, ongeveer een voet of zo boven het water, ' zei Menon.

De onderzoekers merkten op dat dergelijke parasols ook een rol kunnen spelen in ontziltingsinstallaties, die in opkomst zijn als een oplossing voor de groeiende vraag naar water over de hele wereld, maar de verwijdering van het bijproduct - geconcentreerde pekel - blijft een probleem. Berkeley Lab leidt de National Alliance for Water Innovation (NAWI), die eerder dit jaar door DOE de $ 100 miljoen Energy-Water Ontziltingshub werd toegekend.

"Als je grootschalige ontzilting gaat doen, een van de grootste uitdagingen is het bedenken van schaalbare technologieën, "Zei Prasher. "Dit is mogelijk een zeer schaalbare technologie voor het ontladen van vloeistof zonder vloeistof, dat kost geen energie omdat het op zonne-energie is gebaseerd."

Prasher zei dat het team vervolgens twee richtingen wil volgen. De eerste is om een ​​technisch-economische analyse uit te voeren voor zowel lithiumextractie als vloeistofvrije lozing voor ontziltingsinstallaties om de kosten beter te begrijpen. De tweede is om te kijken naar het maken van het apparaat uit een polymeer of ander materiaal om de kosten verder te verlagen.