stringtranslate.com

Генератор атмосферной воды

Генератор атмосферной воды ( AWG ) — это устройство, которое извлекает воду из влажного окружающего воздуха и производит питьевую воду . Водяной пар из воздуха можно извлечь либо путем конденсации — охлаждения воздуха ниже точки росы , воздействия на воздух осушающих веществ , использования мембран, пропускающих только водяной пар, сбора тумана, [1] или создания давления в воздухе. AWG полезны там, где трудно получить питьевую воду, поскольку вода всегда присутствует в окружающем воздухе.

AWG может требовать значительных энергозатрат или работать пассивно, полагаясь на естественные перепады температур . Исследования биомимикрии показали, что жук Onymacris ungucularis обладает естественной способностью выполнять эту задачу. [2]

История

«Атрапаниеблас» или сбор тумана в Альто Патаче, пустыня Атакама , Чили .

Инки смогли сохранить свою культуру за пределами дождевой линии, собирая росу и направляя ее в цистерны для последующего распределения. [3] Исторические записи указывают на использование водосборных противотуманных ограждений . Эти традиционные методы обычно были полностью пассивными, не использовали внешний источник энергии и полагались на естественные изменения температуры. [ нужна цитата ]

В 2022 году армия и ВМС США заключили контракт на технологию добычи с использованием рассола у компании Terralab и Федерального агентства по чрезвычайным ситуациям (FEMA). [4]

Программа DARPA по извлечению воды из атмосферы направлена ​​на разработку устройства, которое сможет обеспечить водой 150 солдат и переносить четыре человека. В феврале 2021 года General Electric получила 14 миллионов долларов на продолжение разработки своего устройства. [5]

В 2022 году был продемонстрирован влагопоглотитель на основе целлюлозы и конжаковой камеди , который производит 13 л/кг/день (1,56 галлона США/фунт/день) воды при влажности 30% и 6 л/кг/день (0,72 галлона США/фунт). /день) при влажности 15%. Осушитель выделяет воду при нагревании до 60 ° C (140 ° F). [6] [4]

В 2024 году исследователи анонсировали устройство, в котором использовались вертикальные ребра, расположенные на расстоянии 2 мм (0,08 дюйма) друг от друга. Ребра представляют собой медные листы, заключенные в медный пенопласт, покрытый цеолитом . Вода выделяется при нагревании медных листов до 184 °C (363 °F). Плавники насыщаются воздухом с влажностью 30% один раз в час. Комбайн с ежечасным подогревом может производить 5,8 л (1,5 галлона) в день на килограмм (2,2 фунта) материала. [3] [5]

Технологии

Системы на основе охлаждения являются наиболее распространенными, в то время как гигроскопические системы перспективны. Гибридные системы сочетают в себе адсорбцию , охлаждение и конденсацию. [7] [8] Воздушные колодцы — один из способов пассивного сбора влаги из воздуха.

Охлаждающий конденсат

Пример процесса охлаждения-конденсации.

Конденсационные системы являются наиболее распространенной используемой технологией.

Охлаждающий конденсационный тип AWG использует компрессор для циркуляции хладагента через конденсатор, а затем через змеевик испарителя, который охлаждает окружающий воздух. Когда температура воздуха достигает точки росы , вода конденсируется в коллекторе. Вентилятор проталкивает фильтрованный воздух через змеевик. Система очистки/фильтрации сохраняет воду чистой и снижает риск, создаваемый окружающими микроорганизмами. [9]

Скорость производства воды зависит от температуры окружающей среды, влажности, объема воздуха, проходящего через змеевик, и способности машины охлаждать змеевик. AWG становятся более эффективными по мере увеличения относительной влажности и температуры воздуха. Как правило, охлаждающие конденсационные генераторы AWG не работают эффективно, когда температура окружающей среды падает ниже 18,3 °C (65 °F) или относительная влажность падает ниже 30%. Экономическая эффективность AWG зависит от мощности машины, местных условий влажности и температуры, а также затрат на электроэнергию.

Эффект Пельтье полупроводниковых материалов предлагает альтернативную систему конденсации, в которой одна сторона полупроводникового материала нагревается, а другая сторона охлаждается. В этом случае воздух нагнетается через охлаждающие вентиляторы на охлаждающей стороне, что снижает температуру воздуха. Твердотельные полупроводники удобны для портативных устройств, но это компенсируется низким КПД и высоким энергопотреблением. [10]

Производство питьевой воды можно улучшить в условиях низкой влажности, используя испарительный охладитель с подачей солоноватой воды для повышения влажности. Особым случаем является производство воды в теплицах, поскольку воздух внутри намного горячее и влажное. Примеры включают теплицу с морской водой в Омане и теплицу IBTS .

В осушающих кондиционерах непитьевая вода является побочным продуктом. Относительно холодный (ниже точки росы) змеевик испарителя конденсирует водяной пар из обрабатываемого воздуха.

При работе на угольной электроэнергии он имеет один из худших выбросов углекислого газа среди всех источников воды (превышает опреснение морской воды обратным осмосом на три порядка ) и требует более чем в четыре раза больше воды по цепочке поставок, чем доставляется в водоемы. пользователь. [11]

Возможно, наиболее эффективным и устойчивым методом является использование адсорбционного холодильника, работающего от солнечной энергии, который превосходит системы с фотоэлектрической энергией. [12] Такие системы также могут выгодно использовать отходящее тепло, например, для перекачки или для работы в ночное время, когда влажность имеет тенденцию повышаться.

Гигроскопия

Гигроскопические методы извлекают воду из воздуха путем абсорбции или адсорбции . Эти материалы осушают воздух. Влагопоглотители могут быть жидкими («влажными») или твердыми. Их необходимо регенерировать (обычно термически), чтобы восстановить воду.

Влажные осушители

Примеры жидких осушителей включают хлорид лития , бромид лития , [13] хлорид кальция , хлорид магния , формиат калия , триэтиленгликоль и [EMIM][OAc]. [14]

Еще одним влажным осушителем является концентрированный рассол . Рассол поглощает воду, которую затем экстрагируют и очищают. Одно портативное устройство работает от генератора . Большие версии, установленные на прицепах, производят до 1200 галлонов США (4500 л) воды в день при соотношении до 5 галлонов воды на галлон топлива. [15]

Другой вариант утверждает, что он более экологичен, поскольку основан на пассивной солнечной энергии и гравитации . Концентрированный рассол течет по внешней стороне башен, поглощая водяной пар. Затем рассол поступает в камеру, где создается частичный вакуум и нагревается, выделяя водяной пар, который конденсируется и собирается. Поскольку конденсированная вода удаляется из системы под действием силы тяжести, создается вакуум, который снижает температуру кипения рассола. [16]

Твердые осушители

Силикагель и цеолит осушают воздух под давлением. Устройства для прямого получения питьевой воды с использованием солнечного света находятся в стадии разработки. [17] Для производства 1 литра воды одному устройству требуется 310 ватт-часов (1100 кДж). В нем используется циркониевый /органический металлоорганический каркас на пористой медной основе, прикрепленный к графитовой подложке. Солнце нагревает графит, выделяя воду, которая затем охлаждает графит. [18]

Топливные элементы

Автомобиль на водородных топливных элементах производит один литр воды питьевого качества на каждые 8 ​​миль (12,87 километра) пути, объединяя водород с кислородом окружающей среды. [19]

Власть

Минимальная энергия для сбора атмосферной воды [1]

Если воздух не перенасыщен парами, для сбора воды из атмосферы требуются затраты энергии. Требуемая энергия сильно зависит от влажности и температуры. Его можно рассчитать, используя свободную энергию Гиббса.

Питьевую воду можно производить с помощью солнечных гидропанелей на крыше, используя солнечную энергию и солнечное тепло. [20] [21] [22]

Гидрогели можно использовать для улавливания влаги (например, ночью в пустыне) для охлаждения солнечных панелей [23] или для производства пресной воды [24] [25] – в том числе для орошения сельскохозяйственных культур, как это продемонстрировано в интегрированных системах с солнечными панелями, где они закрыты. рядом с [26] [27] или под панелями внутри системы. [28] [29] [30] [31] [32] [33]

В одном исследовании сообщается, что такие устройства могут помочь обеспечить питьевой водой один миллиард человек, хотя автономное производство электроэнергии может «подорвать усилия по развитию постоянной водопроводной инфраструктуры ». [34] [35] [36]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аб Рао, Акшай К.; Фикс, Эндрю Дж.; Ян, Юн Чи; Варсингер, Дэвид М. (2022). «Термодинамические пределы сбора атмосферной воды». Энергетика и экология . 15 (10). Королевское химическое общество (RSC): 4025–4037. дои : 10.1039/d2ee01071b. ISSN  1754-5692. S2CID  252252878.
  2. ^ Норгаард, Томас; Даке, Мари (16 июля 2010 г.). «Поведение жуков-чернотел в пустыне Намиб и эффективность сбора воды при купании в тумане». Границы в зоологии . 7 (1): 23. дои : 10.1186/1742-9994-7-23 . ISSN  1742-9994. ПМЦ 2918599 . ПМИД  20637085. 
  3. ^ ab "Вода II". www.foresightfordevelopment.org . Форсайт для развития . Проверено 29 марта 2022 г.
  4. ^ аб Тотти, Майкл (24 сентября 2007 г.). «Инновации для жизни: Награды». www.wsj.com . Проверено 24 мая 2022 г.
  5. ↑ Аб Такер, Патрик (8 февраля 2021 г.). «Военные хотят производить воду из воздуха. Вот наука, стоящая за этим». www.defenseone.com . Защита Один . Проверено 13 февраля 2021 г.
  6. ^ Ирвинг, Майкл (24 мая 2022 г.). «Дешевая гелевая пленка достает ведра питьевой воды в день из воздуха». Новый Атлас . Проверено 4 июня 2022 г.
  7. ^ Фраунгофера. Фраунгофер (2014). Архивировано 12 октября 2016 г. в Wayback Machine.
  8. ^ «Инновации, создающие волны, вытягивающие воду из воздуха» . Университет Саймона Фрейзера. 25 апреля 2016 г.
  9. ^ Последнее предприятие Вилли Нельсона: Вода из воздуха. Атланта Журнал-Конституция.
  10. ^ «Твердотельные детекторы - обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 2 июня 2022 г.
  11. ^ Питерс, Грег М.; Блэкберн, Наоми Дж.; Армедион, Майкл (июнь 2013 г.). «Экологическая оценка воздухо-водяных машин - триангуляция для управления неопределенностью объема». Международный журнал оценки жизненного цикла . 18 (5): 1149–1157. Бибкод : 2013IJLCA..18.1149P. дои : 10.1007/s11367-013-0568-2. ISSN  0948-3349. S2CID  111347244.
  12. ^ Алобайд, Мохаммед; Хьюз, Бен; Калаутит, Джон Кайзер; О'Коннор, Доминик; Привет, Эндрю (2017). «Обзор абсорбционного охлаждения с использованием солнечной энергии с помощью фотоэлектрических тепловых систем» (PDF) . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 76 : 728–742. дои : 10.1016/j.rser.2017.03.081.
  13. ^ Чартран, Сабра (2 июля 2001 г.). «Патенты: черпайте воду из воздуха, измеряйте, сколько воды вы пьете, и будьте добры к рыбе, которую ловите». Нью-Йорк Таймс . ISSN  0362-4331 . Проверено 24 мая 2022 г.
  14. ^ Су, Вэй; Лу, Жифэй; Она, Сяохуэй; Чжоу, Цзюньмин; Ван, Фэн; Сунь, Бо; Чжан, Сяосун (февраль 2022 г.). «Регенерация жидкого влагопоглотителя для современного кондиционирования воздуха: всесторонний обзор осушающих материалов, регенераторов, систем и технологий улучшения». Прикладная энергетика . 308 : 118394. Бибкод : 2022ApEn..30818394S. doi :10.1016/j.apenergy.2021.118394.
  15. ↑ Гринфилдбойс, Нелл (19 октября 2006 г.). «Вода, добываемая из воздуха для оказания помощи при стихийных бедствиях». NPR.org . Проверено 5 мая 2022 г.
  16. ↑ Fraunhofer-Gesellschaft (8 июня 2009 г.). «Питьевая вода из влажности воздуха». ScienceDaily . Проверено 5 мая 2022 г.
  17. ^ Патель, Прачи. «Устройство на солнечной энергии извлекает воду из разреженного (и довольно сухого) воздуха». Spectrum.ieee.org . Проверено 13 апреля 2017 г. .
  18. ↑ Гамильтон, Анита (24 апреля 2014 г.). «Этот гаджет производит галлоны питьевой воды из воздуха». Время.com . Проверено 24 мая 2022 г.
  19. ^ "Седан Toyota Mirai на топливных элементах 2016 года" . Проверено 28 августа 2016 г.
  20. ^ «Новые солнечные гидропанели на крыше одновременно собирают питьевую воду и энергию» . 29 ноября 2017 года . Проверено 30 ноября 2017 г.
  21. ^ ЛаПотин, Алина; Чжун, Ян; Чжан, Ленань; Чжао, Линь; Лерой, Арни; Ким, Хёнхо; Рао, Самир Р.; Ван, Эвелин Н. (20 января 2021 г.). «Двухступенчатое устройство для сбора атмосферной воды для масштабируемого производства воды с помощью солнечной энергии». Джоуль . 5 (1): 166–182. дои : 10.1016/j.joule.2020.09.008 . ISSN  2542-4785. S2CID  225118164.
    Новостная статья: «Система на солнечной энергии извлекает питьевую воду из «сухого» воздуха». Массачусетский Институт Технологий . Проверено 28 апреля 2022 г.
  22. ^ «Системы очистки воды на солнечной энергии с дождевым питанием» . Проверено 21 октября 2017 г.
  23. ^ «Гидрогель помогает создавать самоохлаждающиеся солнечные панели» . Мир физики . 12 июня 2020 г. Проверено 28 апреля 2022 г.
  24. ^ Юхун Го; В. Гуань; К. Лей; Х. Лу; В. Ши; Гуйхуа Юй (2022). «Масштабируемые супергигроскопичные полимерные пленки для устойчивого сбора влаги в засушливых условиях». Природные коммуникации . 13 (1): 2761. Бибкод : 2022NatCo..13.2761G. дои : 10.1038/s41467-022-30505-2. ПМК 9120194 . PMID  35589809. S2CID  248917548. 
  25. ^ Ши, Йе; Илич, Огнен; Этуотер, Гарри А.; Грир, Джулия Р. (14 мая 2021 г.). «Сбор пресной воды в течение всего дня с помощью микроструктурированных гидрогелевых мембран». Природные коммуникации . 12 (1): 2797. Бибкод : 2021NatCo..12.2797S. дои : 10.1038/s41467-021-23174-0. ISSN  2041-1723. ПМЦ 8121874 . PMID  33990601. S2CID  234596800. 
  26. ^ «Автономная SmartFarm выращивает растения, используя воду, забираемую из воздуха» . Новый Атлас . 15 апреля 2021 г. Проверено 28 апреля 2022 г.
  27. ^ Ян, Цзячен; Чжан, Сюэпин; Цюй, Хао; Ю, Чжи Гэнь; Чжан, Яосинь; Эй, Цзе Цзе; Чжан, Юн-Вэй; Тан, Суи Чинг (октябрь 2020 г.). «Жадный до влаги медный комплекс, собирающий влагу из воздуха для питьевой воды и автономного городского сельского хозяйства». Передовые материалы . 32 (39): 2002936. Бибкод : 2020AdM....3202936Y. дои : 10.1002/adma.202002936. ISSN  0935-9648. PMID  32743963. S2CID  220946177.
  28. ^ «Эти солнечные панели поглощают водяной пар, чтобы выращивать урожай в пустыне» . Сотовый пресс . Проверено 18 апреля 2022 г.
  29. ^ Рависетти, Мониша. «Новая конструкция солнечной панели использует потраченную впустую энергию для получения воды из воздуха». CNET . Проверено 28 апреля 2022 г.
  30. ^ "Strom und Wasser aus Sonne und Wüstenluft" . скинекс | Das Wissensmagazin (на немецком языке). 2 марта 2022 г. Проверено 28 апреля 2022 г.
  31. ^ «Гибридная система производит электричество и воду для орошения в пустыне». Новый Атлас . 1 марта 2022 года . Проверено 28 апреля 2022 г.
  32. ↑ Шанк, Эрик (8 марта 2022 г.). «Превращая пустыню в зеленую: эта система солнечных батарей производит воду (и выращивает еду) из воздуха». Салон . Проверено 28 апреля 2022 г.
  33. ^ Ли, Ренюань; У, Мэнчунь; Алейд, Сара; Чжан, Ченлинь; Ван, Вэньбинь; Ван, Пэн (16 марта 2022 г.). «Интегрированная солнечная система производит электроэнергию с использованием пресной воды и урожая в засушливых регионах». Отчеты о клетках Физические науки . 3 (3): 100781. Бибкод : 2022CRPS....300781L. дои : 10.1016/j.xcrp.2022.100781. hdl : 10754/676557 . ISSN  2666-3864. S2CID  247211013.
  34. ^ Йирка, Боб. «Модель предполагает, что миллиард человек сможет получать безопасную питьевую воду с помощью гипотетического устройства для сбора урожая». Техэксплор . Проверено 15 ноября 2021 г.
  35. ^ «Комбайны на солнечной энергии могут производить чистую воду для одного миллиарда человек» . Мир физики . 13 ноября 2021 г. Проверено 15 ноября 2021 г.
  36. ^ Лорд, Джексон; Томас, Эшли; Угости, Нил; Форкин, Мэтью; Бэйн, Роберт; Дюлак, Пьер; Бехрузи, Сайрус Х.; Мамутов, Тилек; Фонхайзер, Джиллия; Кобилански, Николь; Уошберн, Шейн; Трусделл, Клаудия; Ли, Клэр; Шмальцле, Филипп Х. (октябрь 2021 г.). «Глобальный потенциал получения питьевой воды из воздуха с использованием солнечной энергии». Природа . 598 (7882): 611–617. Бибкод : 2021Natur.598..611L. doi : 10.1038/s41586-021-03900-w. ISSN  1476-4687. ПМЦ 8550973 . PMID  34707305. S2CID  238014057.