將太陽光聚集在產生熱的薄膜上的小點上可以運用光熱與蒸氣壓間的非線性關係來提升海水淡化效率(圖:Pratiksha Dongare/Rice University)

萊斯大學(Rice University)利用透鏡原理及奈米顆粒來改善太陽能海水淡化系統,其效率可提升 50% 以上。

簡單方法

萊斯大學奈米光子學研究室(Laboratry for Nanophotonics)的研究人員表示,他們只藉由加入便宜的塑膠透鏡將太陽光聚集到「熱點」,就能將太陽能海水淡化系統的效率提升 50% 以上。

該研究的主要研究員之一,萊斯布朗工程學院(Rice’s Brown School of Engineering)的研究生派蒂莎·東嘉爾(Pratiksha Dongare)表示:「傳統上用來提升太陽能驅動系統性能的方法,是加入太陽能聚光器,以增加更多的光。我們研究最大的不同之處在於我們使用相同數量的光,但能低成本重新分配這種能量,並大幅度增加純水的生產速率。」

傳統作法及改良

在傳統的薄膜蒸餾法(membrane distillation)中,熱的鹽水流過片狀薄膜的一側,而冷的過濾水則流到另一側。溫度上的差異造成了蒸氣壓上的不同,會將水蒸氣從熱的一端穿過薄膜到冷且壓力較低的一端。然而,將該技術規模化非常困難,因為薄膜兩邊的溫度差,以及產生的純水量會隨著薄膜變大而減少。

萊斯大學研究出的「奈米光子太陽能薄膜蒸餾」(nanophotonics-enabled solar membrane distillation,NESMD)技術,使用能吸光的奈米顆粒將薄膜轉變為太陽光驅動的加熱元件。研究人員在薄膜最上層鍍上低成本的商用奈米顆粒,這些奈米顆粒是設計用來將超過 80% 的太陽能轉換成熱能。透過太陽能驅動而加熱的奈米顆粒可以減少製作成本,萊斯大學的工程師正致力於將技術規模化,以推廣到沒有電力供應的偏遠地區 。

效率提升機制

在最新的研究中,萊斯大學奈米光子學研究室的研究人員發現,他們可以利用一個存在於入射光強度及蒸汽壓之間的內在且之前未發現的非線性關係。該研究的共同作者亞歷山德羅·阿拉巴西里教授(Alessandro Alabastri)使用了一個簡單的數學例子來描述線性與非線性關係間的差異:「舉 1 跟 9 這兩個數字為例,若是線性關係,則它們的總和是 10;但若是非線性關係,這兩個數字可能要先平方再相加,則總和會等於 82。這個表現比線性的結果還要來得好。」

在 NESMD 的情況下,非線性的改善來自於將太陽光集中於小點上,就像小孩在晴天用放大鏡集中光線一樣。將光線集中在薄膜上的一個小點上,會導致熱能線性增加,但是這種加熱反過來會造成蒸氣壓的非線性上升,而這上升的壓力迫使更多純化蒸汽在更短時間內穿過薄膜。阿拉巴西里教授表示:「我們發現,在較小的區域裡,有較多的光子總是比光子均勻分散在整個薄膜更好。」

未來應用

萊斯大學奈米光子學研究室的娜歐蜜·哈拉斯教授(Naomi Halas)表示:「這種非線性光學過程提供的效率非常重要,因為水資源稀少的問題對全世界約一半的人來說是日常現實,而有效率的太陽能蒸餾法能改變這個結果。除了純化海水之外,這種非線性光學效應也能改善利用太陽能加熱來驅動化學製程的技術,例如光催化。」

參考資料:

  1. Boyd,J., (2019, June 18). Engineers boost output of solar desalination system by 50%. Phys.org
  2. Dongare, P., et al, (2019, May 13). Solar thermal desalination as a nonlinear optical process. Proceedings of the National Academy of Sciences DOI:10.1073/pnas.1905311116
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