Một hệ thống mới được các kỹ sư của MIT đưa ra có thể cung cấp nguồn nước uống chi phí thấp cho các thành phố khô cằn trên toàn thế giới đồng thời cũng cắt giảm chi phí vận hành nhà máy điện.
Khoảng 39% lượng nước sạch lấy từ sông, hồ và hồ chứa ở Mỹ được dành cho nhu cầu làm mát của các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch hoặc năng lượng hạt nhân, và phần lớn nước đó trôi nổi trong đám mây . Nhưng hệ thống MIT mới có khả năng tiết kiệm một phần đáng kể lượng nước bị mất – và thậm chí có thể trở thành một nguồn nước uống sạch và an toàn quan trọng cho các thành phố ven biển nơi nước biển được sử dụng để làm mát các nhà máy điện địa phương.
Thiết lập phòng thí nghiệm của nhóm nghiên cứu đã được sử dụng để kiểm tra hệ thống bình ngưng. Lưới được đặt phía trên phễu ở bên phải để thu thập nước ngưng tụ trên lưới.
Nguồn: Được phép của các nhà nghiên cứu
Nguyên tắc đằng sau khái niệm mới đơn giản là một cách dễ dàng: Khi không khí giàu sương mù bị vỡ với một chùm hạt tích điện, được gọi là ion, các giọt nước trở nên tích điện và do đó có thể được kéo về phía một lưới dây, tương tự như một cửa sổ màn hình, được đặt trong đường dẫn của họ. Các giọt nước sau đó thu thập trên lưới đó, thoát ra thành một cái chảo thu thập, và có thể được tái sử dụng trong nhà máy điện hoặc được gửi đến hệ thống cấp nước của thành phố.
Hệ thống này, là cơ sở cho một công ty khởi nghiệp có tên là Infinite Cooling, tháng trước đã giành được Giải thưởng Doanh nhân 100K của MIT, được mô tả trong một bài báo đăng trên tạp chí Science Advances , đồng tác giả của Maher Damak PhD ’17 và phó giáo sư cơ khí Kripa Varanasi. Damak và Varanasi là một trong những người đồng sáng lập startup.
Tầm nhìn của Varanasi là phát triển các hệ thống thu hồi nước hiệu quả cao bằng cách chụp các giọt nước từ cả sương mù tự nhiên và các chùm tháp làm mát công nghiệp. Dự án bắt đầu như một phần của luận án tiến sĩ của Damak, nhằm nâng cao hiệu quả của các hệ thống thu hoạch sương mù được sử dụng ở nhiều vùng ven biển khan hiếm nước như một nguồn nước uống. Những hệ thống này, thường bao gồm một số loại lưới bằng nhựa hoặc kim loại treo theo chiều dọc trên con đường của sương mù thường xuyên lăn ra từ biển, cực kỳ kém hiệu quả, chỉ chiếm khoảng 1 đến 3% các giọt nước đi qua chúng. Varanasi và Damak tự hỏi liệu có cách nào làm cho lưới bắt được nhiều giọt nước hơn – và tìm ra cách làm đơn giản và hiệu quả.
Lý do cho sự kém hiệu quả của các hệ thống hiện có trở nên rõ ràng trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm chi tiết của nhóm nghiên cứu: Vấn đề là trong khí động lực học của hệ thống. Khi luồng không khí đi qua chướng ngại vật, chẳng hạn như dây điện trong các màn chắn bắt mắt bằng lưới, luồng không khí tự nhiên lệch quanh chướng ngại vật, nhiều khi không khí chảy quanh cánh máy bay phân tách thành các dòng chảy qua và dưới cấu trúc cánh. Những luồng không khí lệch hướng này mang những giọt nước đang hướng về phía dây dẫn đến một bên, trừ khi chúng bị đập thẳng về phía trung tâm của dây điện.
Kết quả là phần nhỏ giọt được chụp thấp hơn rất nhiều so với phần thu của các dây bị chiếm bởi các dây dẫn, bởi vì các giọt nước đang bị cuốn sang một bên từ các sợi dây nằm phía trước chúng. Chỉ cần làm cho các dây lớn hơn hoặc không gian trong lưới nhỏ hơn có xu hướng phản tác dụng bởi vì nó cản trở luồng không khí tổng thể, dẫn đến sự sụt giảm ròng trong bộ sưu tập.
Nhưng khi sương mù đến được zapped đầu tiên với một chùm ion, tác dụng ngược lại sẽ xảy ra. Không chỉ làm tất cả những giọt nước trong đường dây của những sợi dây trên đất, ngay cả những giọt nước đang nhắm vào những lỗ hổng trong lưới được kéo về phía dây dẫn. Do đó, hệ thống này có thể nắm bắt được một phần lớn các giọt nhỏ đi qua. Như vậy, nó có thể cải thiện đáng kể hiệu quả của các hệ thống chống sương mù, và với chi phí thấp đáng ngạc nhiên. Các thiết bị rất đơn giản, và lượng điện yêu cầu là tối thiểu.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu tập trung vào việc lấy nước từ các chùm tháp làm mát nhà máy điện. Ở đó, dòng hơi nước tập trung nhiều hơn bất kỳ sương mù tự nhiên nào, và điều đó làm cho hệ thống trở nên hiệu quả hơn. Và kể từ khi bắt nước bốc hơi thì chính nó là một quá trình chưng cất, nước bị giữ lại là tinh khiết, ngay cả khi nước làm mát bị nhiễm mặn hoặc nhiễm bẩn. Tại thời điểm này, Karim Khalil, một sinh viên tốt nghiệp khác từ phòng thí nghiệm của Varanasi gia nhập đội.
“Đó là nước cất, chất lượng cao hơn, bây giờ chỉ là lãng phí”, Varanasi nói. “Đó là những gì chúng tôi đang cố gắng nắm bắt.” Nước có thể được bơm vào hệ thống nước uống của thành phố, hoặc được sử dụng trong các quy trình đòi hỏi nước tinh khiết như nồi hơi của nhà máy điện, trái ngược với việc sử dụng trong hệ thống làm mát của nó, nơi chất lượng nước không quan trọng.
Một nhà máy điện 600 megawatt điển hình, Varanasi cho biết, có thể thu hút 150 triệu gallon nước mỗi năm, đại diện cho một giá trị hàng triệu đô la. Điều này đại diện cho khoảng 20 đến 30% lượng nước bị mất từ tháp giải nhiệt. Với sự tinh chỉnh hơn nữa, hệ thống có thể nắm bắt được nhiều hơn đầu ra, ông nói.
Hơn nữa, vì các nhà máy điện đã có sẵn dọc theo nhiều bờ biển khô cằn, và nhiều trong số chúng được làm mát bằng nước biển, điều này cung cấp một cách rất đơn giản để cung cấp các dịch vụ khử mặn bằng một phần nhỏ chi phí xây dựng một nhà máy khử muối độc lập. Damak và Varanasi ước tính chi phí lắp đặt của một chuyển đổi như vậy sẽ bằng khoảng một phần ba diện tích xây dựng một nhà máy khử muối mới, và chi phí vận hành của nó sẽ vào khoảng 1/50. Thời gian hoàn vốn để cài đặt một hệ thống như vậy sẽ là khoảng hai năm, Varanasi nói, và về cơ bản nó sẽ không có dấu chân môi trường, không có gì thêm cho nhà máy ban đầu.
“Đây có thể là một giải pháp tuyệt vời để giải quyết cuộc khủng hoảng nước toàn cầu”, Varanasi nói. “Nó có thể bù đắp sự cần thiết cho khoảng 70% các nhà máy khử mặn mới trong thập kỷ tới”.
Trong một loạt các thí nghiệm đầy thử thách, Damak, Khalil và Varanasi đã chứng minh khái niệm này bằng cách xây dựng một phiên bản phòng thí nghiệm nhỏ của một đống phát ra các giọt nước, tương tự như các tháp làm mát thực tế. chùm tia ion của họ và màn hình lưới trên đó. Trong video thử nghiệm, một chùm sương mù dày được nhìn thấy từ thiết bị – và gần như ngay lập tức biến mất ngay sau khi hệ thống được bật.
Nhóm nghiên cứu hiện đang xây dựng một phiên bản thử nghiệm quy mô toàn bộ hệ thống của họ để được đặt trên tháp giải nhiệt của Nhà máy Tiện ích Trung tâm của MIT, một nhà máy điện đồng phát khí tự nhiên cung cấp hầu hết điện, sưởi ấm và làm mát của trường. Việc thiết lập dự kiến sẽ được thực hiện vào cuối mùa hè và sẽ trải qua thử nghiệm vào mùa thu. Các thử nghiệm sẽ bao gồm thử các biến thể khác nhau của lưới và cấu trúc hỗ trợ của nó, Damak nói.
Điều đó sẽ cung cấp bằng chứng cần thiết để cho phép các nhà khai thác nhà máy điện, những người có xu hướng bảo thủ trong các lựa chọn công nghệ của họ, để áp dụng hệ thống. Bởi vì các nhà máy điện có tuổi thọ hoạt động hàng thập kỷ, các nhà khai thác của họ có xu hướng “rất nguy hiểm” và muốn biết “điều này đã được thực hiện ở một nơi khác?” Varanasi nói. Các thử nghiệm của nhà máy điện trong khuôn viên trường sẽ không chỉ “loại bỏ rủi ro” công nghệ, mà còn giúp cơ sở MIT cải thiện diện tích nước của nó, ông nói. “Điều này có thể có tác động lớn đến việc sử dụng nước trong khuôn viên trường.”
Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2018/06/180608200207.htm
