I dag, ett stort antal människor världen över lider av brist på färskt dricksvatten, särskilt i avlägsna landsbygdsområden, utgör ett betydande hot mot människors liv och samhälle. Medan tekniker som membrandestillation och omvänd osmos har använts för att behandla saltvatten och lindra situationen, de lider av begränsningar som låg produktivitet, höga kostnader och hög energiförbrukning.

På senare år har direkt solar steam generation (DSSG) har dykt upp som en användbar teknik för vattenrening. Processen använder fototermiska material som kan absorbera stora mängder solenergi. Dessa material görs sedan för att flyta i vatten, vilket hjälper till att upprätthålla lokal uppvärmning och generera vattenånga som sedan kondenseras för att erhålla rent vatten. Nuvarande DSSG-metoder har nått gränserna för solvärmeverkningsgrad och förångningshastighet; dock, med tanke på efterfrågan på högflödesrent vatten i storskalig kommersialisering, ytterligare förbättring av avdunstningshastigheten är nödvändig. Tidigare studier har försökt göra detta genom att utforska absorbatorer för att manipulera inmatningen och den energi som krävs för avdunstning, men förhållandet mellan IE och RE har inte studerats ännu.

För detta ändamål, Prof Lei Miao från Shibaura Institute of Technology, Japan, tillsammans med medförfattarna Xiaojiang Mu och Jianhua Zhou från Guilin University of Electronic Technology, Kina, syftade till att hitta en balans mellan IE och RE för att optimera förångningsprestanda i DSSG. Enligt forskarna, Tricket var att minska RE så att den matchar IE, ett unikt koncept som kallas energimatchning. För detta, de kom fram till ett innovativt förångningssystem baserat på dubbelskiktsstrukturer av kolnanorör aerogelbelagt trä (CACW). Designen gav tre lager av värmeisolering, vilket (1) minimerade värmeförlusten och förhindrade ett plötsligt temperaturfall i absorbatorn och (2) reglerade vattentransporten till förångningsytan. Prof Miao förklarar, "Vattenhastighetsreglering är nyckeln till strategin för "energimatchning" som används i vår design. Genom att kontrollera hastigheten på vattentransporter, vi säkerställer att RE för avdunstning är balanserad med IE till absorbatorn." Resultaten av deras studie publiceras i Solenergi RRL.

För att testa vattentransporthastigheten i CACW-systemet, forskarna utvärderade avdunstningshastigheterna för olika koncentrationer av kolnanorör och för träskivor av olika tjocklek. Dessutom, de använde systemet för att behandla flytande prover som emulerade avloppsvatten och uppskattade deras kvalitet efter behandling i termer av jonkoncentration, oljeinnehåll, och bakterienivåer. Till sist, de uppskattade IE och avdunstningshastigheter under varierande vattentransporthastigheter.

Analysen avslöjade att den bästa förångningsprestandan och den högsta energiomvandlingseffektiviteten från sol-till-ånga som uppnåddes med detta system var 2,22 kg m. ^-2 h ^-1 och 93,2 %, respektive, som är högre än andra kolbaserade material. Dessutom, förångaren visade tillräcklig självrengörande förmåga tillsammans med utmärkt stabilitet efter 10 cykler. Det behandlade vattnet uppvisade signifikant reducerade metalljonkoncentrationer, bakterienivå och oljehalt jämfört med ingångsproverna, antyder att det var lämpligt att dricka.

Med så uppmuntrande resultat, Prof Miao anser att det är en triumf för strategin "energimatchning" och anser att den har brutit ny mark. Hon säger, "Vår strategi gav en 40% förbättring av avdunstningshastigheten tillsammans med en hög sol-till-ånga omvandlingseffektivitet på 93%. Vi ser nu fram emot den praktiska implementeringen av DSSG vid avsaltning av havsvatten och avloppsrening. I framtiden, vi hoppas kunna komma med nya idéer för att utveckla denna teknik ytterligare tills vi har utrotat vattenbristen."