Rice Universitys soldrivna tillvägagångssätt för att rena saltvatten med solljus och nanopartiklar är ännu effektivare än dess skapare först trodde.

Forskare vid Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) visade denna vecka att de kunde öka effektiviteten hos deras soldrivna avsaltningssystem med mer än 50 % helt enkelt genom att lägga till billiga plastlinser för att koncentrera solljus till "hot spots". Resultaten finns tillgängliga online i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Det typiska sättet att öka prestanda i soldrivna system är att lägga till solenergikoncentratorer och få in mer ljus, " sa Pratiksha Dongare, en doktorand i tillämpad fysik vid Rice's Brown School of Engineering och medförfattare till uppsatsen. "Den stora skillnaden här är att vi använder samma mängd ljus. Vi har visat att det är möjligt att på ett billigt sätt omfördela den kraften och dramatiskt öka produktionen av renat vatten."

Vid konventionell membrandestillation, varm, saltvatten flödar över ena sidan av ett arkliknande membran medan det är svalt, filtrerat vatten rinner över den andra. Temperaturskillnaden skapar en skillnad i ångtryck som driver vattenånga från den uppvärmda sidan genom membranet mot kylaren, sidan med lägre tryck. Det är svårt att skala upp tekniken eftersom temperaturskillnaden över membranet – och den resulterande produktionen av rent vatten – minskar när storleken på membranet ökar. Rices "nanophotonics-enabled solar membrane destillation" (NESMD)-teknik åtgärdar detta genom att använda ljusabsorberande nanopartiklar för att förvandla själva membranet till ett soldrivet värmeelement.

Dongare och kollegor, inklusive studieledaren Alessandro Alabastri, belägg det översta lagret av deras membran med låg kostnad, kommersiellt tillgängliga nanopartiklar som är designade för att omvandla mer än 80 % av solljusenergin till värme. Den soldrivna nanopartikeluppvärmningen minskar produktionskostnaderna, och Rice-ingenjörer arbetar med att skala upp tekniken för applikationer i avlägsna områden som inte har tillgång till elektricitet.

Konceptet och partiklarna som används i NESMD demonstrerades första gången 2012 av LANP-chefen Naomi Halas och forskaren Oara Neumann, som båda är medförfattare till den nya studien. I veckans studie, Halas, Dongare, Alabastri, Neumann och LANP-fysikern Peter Nordlander fann att de kunde utnyttja ett inneboende och tidigare okänt icke-linjärt samband mellan infallande ljusintensitet och ångtryck.

Alabastri, en fysiker och Texas Instruments Research Assistant Professor vid Rice's Department of Electrical and Computer Engineering, använde ett enkelt matematiskt exempel för att beskriva skillnaden mellan ett linjärt och icke-linjärt samband. "Om du tar två siffror som är lika med 10—sju och tre, fem och fem, sex och fyra – du får alltid 10 om du lägger ihop dem. Men om processen är olinjär, du kan ruta dem eller till och med kubera dem innan du lägger till. Så om vi har nio och en, det skulle vara nio kvadrat, eller 81, plus en kvadrat, vilket är lika med 82. Det är mycket bättre än 10, vilket är det bästa du kan göra med en linjär relation."

När det gäller NESMD, den olinjära förbättringen kommer från att koncentrera solljus till små fläckar, ungefär som ett barn kan med ett förstoringsglas en solig dag. Att koncentrera ljuset på en liten fläck på membranet resulterar i en linjär ökning av värme, men uppvärmningen, i tur och ordning, ger en icke-linjär ökning av ångtrycket. Och det ökade trycket tvingar mer renad ånga genom membranet på kortare tid.

"Vi visade att det alltid är bättre att ha fler fotoner i en mindre yta än att ha en homogen fördelning av fotoner över hela membranet, sa Alabastri.

Halas, en kemist och ingenjör som har ägnat mer än 25 år till banbrytande användning av ljusaktiverade nanomaterial, sa, "De effektivitetsvinster som denna olinjära optiska process ger är viktiga eftersom vattenbrist är en daglig verklighet för ungefär hälften av världens människor, och effektiv soldestillation kan ändra på det.

"Bortom vattenrening, denna olinjära optiska effekt kan också förbättra tekniker som använder solvärme för att driva kemiska processer som fotokatalys, sa Halas.

Till exempel, LANP utvecklar en kopparbaserad nanopartikel för att omvandla ammoniak till vätebränsle vid omgivande tryck.

Halas är Stanley C. Moore professor i elektro- och datateknik, chef för Rice's Smalley-Curl Institute och professor i kemi, bioteknik, fysik och astronomi, och materialvetenskap och nanoteknik.

NESMD är under utveckling vid Rice-based Center for Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) och vann forsknings- och utvecklingsfinansiering från Department of Energys Solar Desalination program 2018.