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新型水蒸气冷凝器从暗黑甲虫身上汲取线索,在全球范围内 获取清洁水是一个巨大的问题
2021年04月05日    阅读量:252    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

在全球范围内,获取清洁水是一个巨大的问题。即使在水资源丰富的地区,缺乏基础设施或可靠的能源也意味着净化水有时是极其困难的。


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这就是为什么水蒸汽冷凝器由美国布法罗大学和威斯康星大学麦迪逊分校的工程师大学设计可能是革命性的中国机械网okmao.com。与只能在夜间运行的其他辐射式蒸汽冷凝器不同,新设计可在阳光直射下工作,并且不需要输入能量。


“过去几年,我们一直在研究太阳能驱动的水蒸发技术,” UB电气工程教授,著名通讯作者甘巧强博士说。“我们现在正在处理水循环的后半部分,冷凝。”


“水的可持续性是一个全球性的问题,”另一位主要的通讯作者,威斯康星大学麦迪逊分校电气与计算机工程副教授余宗福博士说。“如果不解决能源问题,您将无法着手解决水问题。”


Yu,Gan和他们的学生在3月31日在线发表的《美国国家科学院院刊》上描述了这种新型辐射式蒸汽冷凝器。


科技从黑甲虫那里借来的


辐射冷却的想法并不新鲜。实际上,它已被自然界中的昆虫所利用,例如在非洲西南部纳米比沙漠中发现的黑甲虫。在周围温度凉爽的晴朗夜晚,甲壳虫的深色外壳会在中红外范围内散发额外的热量,也称为大气透明窗口。热量自然地辐射到地球上层凉爽的大气层和寒冷的空间。


这种热损失将甲虫的温度降低到露点以下,或者将空气中的水蒸气凝结成较凉的表面上的小滴的温度(在炎热的日子里想想一杯冰茶)。然后,甲虫可以使用特殊的凹槽和结构将水分引向其嘴部,从而收获水分。


在过去的几十年中,研究人员已经基于相同的原理设计了露水收集器,使用了像甲壳虫一样有效散热的特殊材料。问题在于,这些收集器只能在晚上工作,因为阳光产生的热量超过了材料所散发的热量。

 

在该项目中,由威斯康星大学麦迪逊分校的博士后研究员Ming Zhou领导的团队使用一种称为聚二甲基硅氧烷(PDMS)的材料薄膜构造了一个小型蒸汽冷凝器,该冷凝器在大气透明窗口中非常有效地释放热辐射。他们将其覆盖在反射阳光的银上。两者的结合能够将冷凝器冷却至露点以下,从而导致冷凝。


由可广泛获得的廉价材料制成


Zhou通过将设备放在盒子状的冷凝室中进行测试,该冷凝室与装有市售露水收集材料以及简单黑体的室并排放置。该小组将加湿的空气泵入三个房间,它们放置在威斯康星大学麦迪逊分校大楼的顶部,并在另一项测试中放置在停车场。聚二甲基硅氧烷是唯一在阳光直射下冷凝水蒸气的材料。


华盛顿大学麦迪逊分校电气与计算机工程副教授Mikhail Kats说:“从根本上说,我们的辐射聚光器被设计成与高层大气和外层空间中的巨大冷库'热接触'。” “通过这种热接触获得的冷却功率可以实现白天的水冷凝,而无需外部电源。”


另一个好处是聚二甲基硅氧烷是一种可广泛获得的相对便宜的材料,并且银衬对于冷凝器的工作不是必需的。


Gan说:“材料的成本和可用性一直是此类应用程序的障碍。但是,在我们的系统中情况并非如此,这与实际情况更加接近。”


初创公司Sunny Clean Water正在将该技术商业化


目前,Yu和Gan希望通过他们的公司Sunny Clean Water LLC将冷凝器与他们研究的另一种被动过程(太阳能蒸汽产生)配对来使冷凝器商业化。他们的想法是创建一个系统,在该系统中,未经处理的水甚至海水被蒸发,然后使其通过冷凝器,以太阳为唯一能源对其进行净化。


最终,研究小组希望该系统具有足够的效率,可以直接从空气中产生水。这是他们正在努力优化的过程。于说:“这个实验是通过使用一些受控的水蒸气来完成的。” “现在,下一步是将水直接从空气中抽出。这对我们来说非常令人兴奋-不用任何能量就可以免费从空气中获取水。”


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