Применение нано- и микрочастиц для интенсификации опреснения воды с помощью солнечного излучения

Сильные поглощающие свойства суспензий с наночастицами и возможность организации кипения в объеме делают этот процесс весьма перспективных для создания на его основе солнечных опреснительных установок. В работе представлено экспериментальное исследование кипения суспензии на основе воды с добавлением морской соли, выполненное на лабораторной установке с замыканием цикла конденсата. В исследовании были использованы три типа частиц: многослойные углеродные нанотрубки со средним диаметром ~60 нм и длиной ~5 мкм, 110-нм частицы оксида железа Fe₃O₄ и коммерческий модификатор промышленного состава на основе углеродных нанотрубок. Массовые концентрации частиц варьировались от 0,5 до 10%. Для оценки влияния морской соли на процесс кипения наножидкости аналогичные эксперименты были проведены для наножидкости на основе дистиллированной воды. Сравнивая результаты экспериментального исследования для наножидкостей на основе дистиллированной и соленой воды было обнаружено, что добавление морской соли может приводить как к увеличению скорости генерации пара, так и к уменьшению в зависимости от типа наночастиц и их концентрации. Присутствие морской соли в суспензии на основе нанотрубок увеличивает расход пара на 7.5%, в то время как для частиц оксида железа изменение расхода пара варьируется от –0.5 до 12% в зависимости от концентрации частиц. Для суспензий на основе коммерческого модификатора изменение скорости генерации пара при наличии соли также зависит от концентрации и изменяется от –5.2 до 7%. Оптимальный состав суспензии, обеспечивающий наибольшую скорость генерации пара, был определен на основе сравнения полученных экспериментальных данных с экспериментом по кипению морской воды в зачерненном объеме. Добавление 5% углеродных нанотрубок в соленую воду приводит к наибольшему увеличению скорости генерации пара на 23% по сравнению с кипением соленой воды в зачерненной колбе. Результаты настоящей работы могут стать основой для разработки солнечных опреснительных установок на основе суспензий с нано- и микрометровыми частицами.

1. Всемирная программа ЮНЕСКО по оценке водных ресурсов. WWAP (UNESCO World Water Assessment Programme). 2019. The United Nations World Water Development Report 2019: Leaving No One behind. Paris, UNESCO.

2. Elimelech M., Phillip W.A. // Science. 2011. V. 333. P. 712–717.

3. Lienhard J.H., Antar M.A., Bilton A., Blanco J., Zaragoza G. // Ann. Rev. Heat Transfer. 2012. V. 15. New York: Begel House. Ch. 9. Solar Desalination. P. 277–347.

4. Khawaji A.D., Kutubkhanah I.K., Wie J.-M. // Desalination. 2008. V. 221. P. 47–69.

5. Lucas M., Kosinski P., Balakin B.V. // AIP Conf. Proc. 2019. V. 2116. P. 30011.

6. Sani E., Papi N., Mercatelli L., Zyła G. // Renew. Energy. 2018. V. 126. P. 692–698.

7. Wang Y., Zaytsev M.E., The H.L., Eijkel J.C.T., Zandvliet H.J.W., Zhang X., Lohse D. // ACS Nano. 2017. V. 11. No. 2. P. 2045–2051.

8. Neumann O., Urban A.S., Day J., Lal S., Nordlander P., Halas N.J. // ACS Nano. 2013. V. 7. P. 42–49.

9. Jin H., Lin G., Bi L., Zeiny A., Wen D. // Nano Energy. 2016. V. 28. P. 397–406.

10. Ulset E.T., Kosinski P., Zabednova Y., Zhdaneev O.V., Struchalin P.G., Balakin B.V. // Nano Energy. 2018. V. 50. P. 339–346.

11. DEALTOM. http://dealtom.ru/. 2021.

12. Государственная служба стандартных справочных данных. ГСССД 77-84 “Морская вода. Шкала практичной солености”. 1978. Москва: Национальный комитет по океанографическим исследованиям (СКОР) и ЮНЕСКО.

13. Osram. https://www.osram.com/. 2021.

14. Struchalin P.G., Thon H., Kuzmenkov D.M., Kutsenko K.V., Kosinski P., Balakin B.V. // Int. J. Heat Mass Transf. 2020. V. 158. P. 119987.

15. Ulset E.T., Kosinski P., Balakin B.V. // Appl. Therm. Eng. 2018. V. 137. P. 62–65.

16. Sharaf O.Z., Taylor R.A., Abu-Nada E. // Phys. Reports. 2020. V. 867. P. 1–84.