De op zonne-energie aangedreven benadering van Rice University voor het zuiveren van zout water met zonlicht en nanodeeltjes is zelfs efficiënter dan de makers eerst dachten.

Onderzoekers in het Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) hebben deze week aangetoond dat ze de efficiëntie van hun ontziltingssysteem op zonne-energie met meer dan 50% konden verhogen door simpelweg goedkope plastic lenzen toe te voegen om zonlicht in 'hot spots' te concentreren. De resultaten zijn online beschikbaar in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"De typische manier om de prestaties van door zonne-energie aangedreven systemen te verbeteren, is door zonneconcentratoren toe te voegen en meer licht binnen te brengen. " zei Pratiksha Dongare, een afgestudeerde student toegepaste natuurkunde aan Rice's Brown School of Engineering en co-hoofdauteur van het artikel. "Het grote verschil hier is dat we dezelfde hoeveelheid licht gebruiken. We hebben aangetoond dat het mogelijk is om die stroom goedkoop te herverdelen en de snelheid van de productie van gezuiverd water drastisch te verhogen."

Bij conventionele membraandestillatie, heet, zout water stroomt over één kant van een bladachtig membraan terwijl het koel is, gefilterd water stroomt over de andere. Het temperatuurverschil creëert een verschil in dampdruk dat waterdamp van de verwarmde kant door het membraan naar de koeler drijft, lagedrukzijde. Het opschalen van de technologie is moeilijk omdat het temperatuurverschil over het membraan - en de resulterende output van schoon water - afneemt naarmate het membraan groter wordt. Rice's "nanophotonics-enabled solar membrane distillation" (NESMD) -technologie lost dit op door lichtabsorberende nanodeeltjes te gebruiken om het membraan zelf in een door zonne-energie aangedreven verwarmingselement te veranderen.

Dongar en collega's, inclusief studie mede-hoofdauteur Alessandro Alabastri, bedek de bovenste laag van hun membranen met goedkope, in de handel verkrijgbare nanodeeltjes die zijn ontworpen om meer dan 80% van de zonlichtenergie om te zetten in warmte. De door zonne-energie aangedreven verwarming van nanodeeltjes verlaagt de productiekosten, en Rice-ingenieurs werken aan het opschalen van de technologie voor toepassingen in afgelegen gebieden die geen toegang hebben tot elektriciteit.

Het concept en de deeltjes die in NESMD worden gebruikt, werden in 2012 voor het eerst gedemonstreerd door LANP-directeur Naomi Halas en onderzoekswetenschapper Oara Neumann, die beide co-auteurs zijn van de nieuwe studie. In de studie van deze week Hala, Dongar, Albastri, Neumann en LANP-natuurkundige Peter Nordlander ontdekten dat ze een inherente en voorheen niet-herkende niet-lineaire relatie tussen de intensiteit van invallend licht en de dampdruk konden benutten.

Albastri, een natuurkundige en Texas Instruments Research Assistant Professor in Rice's Department of Electrical and Computer Engineering, gebruikte een eenvoudig wiskundig voorbeeld om het verschil tussen een lineaire en niet-lineaire relatie te beschrijven. "Als je twee getallen neemt die gelijk zijn aan 10 - zeven en drie, vijf en vijf, zes en vier - je krijgt altijd 10 als je ze bij elkaar optelt. Maar als het proces niet-lineair is, je kunt ze vierkant maken of zelfs kubussen voordat je ze toevoegt. Dus als we negen en één hebben, dat zou negen kwadraat zijn, of 81, plus één in het kwadraat, wat gelijk is aan 82. Dat is veel beter dan 10, dat is het beste wat je kunt doen met een lineaire relatie."

In het geval van NESMD, de niet-lineaire verbetering komt van het concentreren van zonlicht in kleine vlekken, net zoals een kind zou doen met een vergrootglas op een zonnige dag. Het concentreren van het licht op een kleine plek op het membraan resulteert in een lineaire toename van warmte, maar de verwarming beurtelings, veroorzaakt een niet-lineaire toename van de dampdruk. En de verhoogde druk dwingt meer gezuiverde stoom door het membraan in minder tijd.

"We hebben laten zien dat het altijd beter is om meer fotonen in een kleiner gebied te hebben dan een homogene verdeling van fotonen over het hele membraan, ' zei Alabastri.

Hala, een chemicus en ingenieur die al meer dan 25 jaar pioniert in het gebruik van door licht geactiveerde nanomaterialen, zei, "De efficiëntie die dit niet-lineaire optische proces oplevert, is belangrijk omdat waterschaarste een dagelijkse realiteit is voor ongeveer de helft van de wereldbevolking, en efficiënte zonnedestillatie zou dat kunnen veranderen.

"Naast waterzuivering, dit niet-lineaire optische effect zou ook technologieën kunnen verbeteren die zonneverwarming gebruiken om chemische processen zoals fotokatalyse aan te drijven, ' zei Halas.

Bijvoorbeeld, LANP ontwikkelt een op koper gebaseerd nanodeeltje om ammoniak bij omgevingsdruk om te zetten in waterstofbrandstof.

Halas is de Stanley C. Moore hoogleraar elektrische en computertechniek, directeur van Rice's Smalley-Curl Institute en hoogleraar scheikunde, bio-engineering, natuurkunde en sterrenkunde, en materiaalkunde en nano-engineering.

NESMD is in ontwikkeling bij het Rice-based Centre for Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) en won in 2018 onderzoeks- en ontwikkelingsfinanciering van het Solar Desalination-programma van het Department of Energy.