Avdunstningsdammar, som ofta används i många industrier för att hantera avloppsvatten, kan sträcka sig över tunnland, upptar ett stort fotavtryck och utgör ofta risker för fåglar och andra vilda djur. Ändå är de ett ekonomiskt sätt att hantera förorenat vatten eftersom de drar fördel av naturlig avdunstning under solljus för att reducera stora volymer smutsigt vatten till mycket mindre volymer fast avfall.

Nu har forskare vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) visat ett sätt att fördubbla avdunstningshastigheten genom att använda solenergi och dra fördel av vattnets inneboende egenskaper. Studien, ledd av Berkeley Lab-forskarna Akanksha Menon och Ravi Prasher, rapporteras idag i tidningen Naturens hållbarhet .

Avdunstningsdammar används vid kraftverk, avsaltningsanläggningar, inom olje- och gasindustrin, och även för litiumextraktion, där litiumrik saltlake pumpas in i stora, konstgjorda saltdammar. De är vanliga i Kina, Australien, Europa, Mellanöstern, och delar av USA där klimatet är lämpligt (torrt eller halvtorrt med mycket solsken), och dessa dammar kan vara lika stora som hundratals fotbollsplaner, med många av dem som sitter sida vid sida.

"Det här är ett stort samhällsproblem vi försöker lösa. Att antingen göra sig av med avloppsvattnet eller att utvinna ett värdefullt salt som litium, du skulle vilja öka avdunstningshastigheten dramatiskt och på ett skalbart sätt, sa Prasher, en expert på termisk energi som också fungerar som Berkeley Labs associerade chef för Energy Technologies Area. "Om vi ​​kunde göra det, som skulle kunna minska deras miljöpåverkan genom att minska mängden mark som krävs."

För att maximera vattenåtervinningen från industriellt avloppsvatten och avsaltningssaltlösning, det har skett en push för att uppnå "noll vätskeutsläpp" så att det slutliga avfallet är ett fast material. Processen innefattar en rad behandlingssteg, och det sista steget är ofta en indunstningsdamm. Menon, en postdoktor i Berkeley Lab, konstaterar att många idéer har föreslagits för att använda solenergi för att påskynda avdunstningshastigheten.

"Det har publicerats flera artiklar under de senaste fem åren, " sa hon. "De flesta involverar solljusabsorberande strukturer som flyter på vattenytan, som en svart svamp, för att lokalisera värmen, eftersom avdunstning är ett ytfenomen. "

Tyvärr tenderar sådana porösa strukturer att bli igensatta av de föroreningar som de försöker separera. "Så med tiden, prestandan hos de flytande absorbatorerna sjunker dramatiskt, Menon sa. "Ibland kommer salterna att fastna på ytan och reflektera solljus snarare än att absorbera det."

Omvandling av våglängden för solljus

Berkeley Lab-forskarna letade efter en lösning som kunde undvika sådana problem. "Vi insåg om man tittar på vattnets egenskaper, den har mycket stark absorption i det mellan-infraröda våglängdsområdet, " Sa Menon. "Om du lyser mellaninfrarött ljus på vatten, det kommer att absorbera det så starkt att det behåller all värme i ett mycket tunt lager."

Teamet bestämde sig för att bygga en enhet de liknar vid en "strålningstransformator, " som tar energi från solljus i intervallet 400 till 1, 500 nanometer och omvandlar det till 3, 000 nanometer eller mer, som är i det mellaninfraröda området.

Berkeley Lab -forskarna demonstrerade konceptet i labbet med en mättad lösning av bordsalt. I deras experiment, deras prototypenhet ökade avdunstningshastigheten med mer än 100 % jämfört med naturlig avdunstning. De tillägger att det finns potential att öka avdunstningen med 160 % genom att optimera den termiska designen.

Deras fototermiska anordning - ett platt ark som selektivt absorberar solenergi på ena sidan och avger medelinfraröd energi på den andra - sitter ovanför vattnet i en avdunstningsdamm som ett paraply. "En webbplats kan ha en rad av dessa solparasoller, sitter troligen på tältstolpar, ungefär en fot ovanför vattnet, sa Menon.

Forskarna noterade att sådana solparaplyer också kan spela en roll i avsaltningsanläggningar, som växer fram som en lösning för växande efterfrågan på vatten runt om i världen, men bortskaffande av biprodukten-koncentrerad saltlösning-är fortfarande ett problem. Berkeley Lab leder National Alliance for Water Innovation (NAWI), som belönades med 100 miljoner dollar Energy-Water Desalination Hub av DOE tidigare i år.

"Om du ska göra storskalig avsaltning, en av de största utmaningarna är hur man kommer på skalbar teknik, ", sa Prasher. "Detta är potentiellt en mycket skalbar teknik för noll-vätskeurladdning, som inte kräver någon energi eftersom den är baserad på solenergi."

Prasher sa att laget nu vill följa två riktningar. Den första är att göra en teknisk-ekonomisk analys för både litiumextraktion och noll-vätskeutsläpp för avsaltningsanläggningar för att bättre förstå kostnaderna. Den andra är att titta på att göra enheten av en polymer eller annat material för att ytterligare minska kostnaderna.