淡水化の未来を探る: 界面太陽蒸発システムの包括的なレビュー

清華大学出版局 2023 年 4 月 26 日

世界的な淡水不足を解消するために効率的な界面太陽蒸発システムを構築するための 3 つの広範な戦略の図。 クレジット: Nano Research Energy、清華大学出版局

ISE テクノロジーは、研究者が実用化に向けた戦略を提案することで、きれいな水の生産のための持続可能なソリューションを提供します。

界面太陽蒸発 (ISE) は、太陽エネルギーを利用して環境に優しく持続可能な方法で水を浄化する有望な脱塩技術です。 研究者らは最近、効率的な ISE システムを構築するための戦略を検討したレビュー研究を学術誌 Nano Research Energy に発表しました。 彼らは、実用化に向けて技術を前進させるための 5 つの推奨事項を提示しています。これには、新しいエネルギー源の導入、新しい光熱材料の探索、革新的な光熱蒸発器設計の作成、限られたスペースでの水生産の改善、大規模 ISE システムの開発が含まれます。 研究チームは、ISE には世界的なきれいな水不足の問題に対処できる可能性があると信じていますが、現実世界の応用を進めるにはさらなる取り組みが必要であることも認めています。

淡水は人間の生活に不可欠であり、今日世界の一部では淡水不足が重大な問題となっています。 近年、科学者たちは海水からきれいな水を製造できるようにするための淡水化技術の開発に多大な努力を払ってきました。 界面太陽蒸発 (ISE) は、世界的な淡水不足の解消に役立つと期待されている技術です。 研究者チームは、効率的な ISE システムを構築するために利用できる戦略のレビュー研究に着手しました。

彼らの研究は最近、Nano Research Energy 誌に掲載されました。

研究チームの論文は、二次元および三次元の太陽熱蒸発器におけるエネルギーのつながりを調査し、高効率の ISE システムの設計と製造の戦略をレビューしています。 彼らの要約した研究は、実用化に向けた ISE システムの将来の設計を導くための展望を提供します。

ISE は、環境に優しく持続可能なプロセスを通じて淡水を生成する淡水化技術です。 この技術では、太陽エネルギーを利用して水を蒸発させ、浄化します。 この技術は、光熱蒸発器を使用して太陽光からの熱を蒸発表面に局所的に変換し、大量の水や環境に放散するのではなく効率的に蒸気を生成します。

膜ろ過や加熱蒸留などの従来の脱塩技術は化石燃料由来の電力を大量に消費するため、環境に優しいとは言えません。 科学者たちは、グリーンで持続可能なエネルギー源を使用する新しい淡水化技術の探索を続けています。 ISE テクノロジーにおける最近の研究は、主にエネルギー管理の最適化に焦点を当てています。 研究者たちは、より効率的なエネルギー利用を達成することを目標に、光熱材料と蒸発器の設計を改良しました。 これは、蒸発システムから環境へのエネルギー損失を最小限に抑えること、環境からのエネルギー入力を拡大して蒸発プロセスを強化すること、蒸発エンタルピーを低減して蒸発プロセスをより効率化することの 3 つの経路を通じて達成されます。

チームのレビューでは、実用的な太陽蒸発性能を向上させるためのこれらの経路が体系的にまとめられています。 同大学のLi Yu教授は、「光から熱への変換効率が高い材料を適用するか、スマートなエネルギー管理戦略を備えた最先端の蒸発器の構造設計を適用することで、蒸発速度が大幅に向上できることを明確に示している」と述べた。深セン理工大学。

「高効率の太陽熱蒸発を達成するための主な原則には、蒸発システムから環境へのエネルギー損失を回避すること、周囲の空気やバルク水からのエネルギー入力を拡大すること、蒸発システムにすでにある既存のエネルギーを最大限に活用すること、そして蒸発量を下げることが含まれます。エンタルピー」と南オーストラリア大学教授のハオラン・シュー氏は語った。

チームは、次世代 ISE システムを実用的なアプリケーションに移行する際に考慮すべき 5 つの推奨事項を提供します。

最初の推奨事項は、ISE に新しいエネルギー源を導入することです。 太陽光の強度は大きく変化するため、終日、全天候、全季節の ISE システム用の新しいエネルギー源を探索することが重要です。

The second recommendation is to continuously explore novel photothermal materials. The team suggests that the next-stage development of photothermal materials needs to focus on maximizing the use of thermal energy in both macroscale and micro-nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ナノスケール。

3 番目の推奨事項は、光熱蒸発器の革新的な設計を検討することです。 これらの次世代蒸発器は、水の供給と蒸発のバランスを確保するために水の流れを改善しながら、エネルギーハーベストと水の蒸発を最大化する必要があります。

4 番目の推奨事項は、限られたスペースでの水の生産を改善することです。 ISE システムでは、水の蒸発と収集が 2 つの主要部分です。 研究者らは非常に高い太陽蒸発率を達成しましたが、高効率の水の収集​​はほとんど報告されていません。 次世代 ISE システムには、コンパクトなスペースに収まる優れた水蒸発モジュールと効率的な蒸気凝縮モジュールが必要です。

同チームの5番目の勧告は、海水淡水化や廃水処理などの実用化に向けた大規模ISEシステム開発の重要性に焦点を当てている。 彼らは、小型の蒸発器をユニットとして製造し、組み立ててより大きな相互接続システムを形成することを提案しています。

今後を見据えて、チームは、ISE テクノロジーが淡水不足の問題に対処するための実用的なアプリケーションを提供する可能性があると考えています。 「世界的にきれいな水が不足し、低炭素排出技術が提唱されている現在の状況において、ISEは現在、世界的なきれいな水不足の問題を解決する最も有望な技術の1つとして受け入れられています。しかし、それを推進するにはまだ長い道のりがあります。」 ISE テクノロジーの実世界への応用を推進します」と清華大学のインインイン・チャン教授は述べています。

参照: 「効率的な界面太陽蒸発システムを構築するための最近の戦略」、Yida Wang、Junqing Hu、Li Yu、Xuan Wu、Yingying Zhang、Haolan Xu、2023 年 3 月 28 日、Nano Research Energy.DOI: 10.26599/NRE.2023.9120062

研究チームには清華大学と南オーストラリア大学のYida Wang氏が含まれています。 深セン理工大学のJunqing Hu氏とLi Yu氏。 南オーストラリア大学の Xuan Wu 氏と Haolan Xu 氏。 そして清華大学のYingying Zhang氏。

この研究は、中国国家自然科学財団、国家重点基礎研究開発プログラム、深セン科学技術研究プロジェクト、オーストラリア研究評議会から資金提供を受けている。