211service.com
Nanopartiklar gör ånga utan att koka upp vatten
Ånga är en nyckelingrediens i ett brett spektrum av industriella och kommersiella processer – inklusive elproduktion, vattenrening, alkoholdestillation och sterilisering av medicinsk utrustning.
Att generera den ångan kräver dock vanligtvis stora mängder energi för att värma upp och så småningom koka vatten eller annan vätska. Nu har forskare vid Rice University hittat en genväg. Med hjälp av ljusabsorberande nanopartiklar suspenderade i vatten kunde gruppen förvandla vattenmolekylerna som omger nanopartiklarna till ånga samtidigt som de knappt höjde temperaturen på det återstående vattnet. Tricket kan dramatiskt minska kostnaderna för många ångberoende processer.
Rice-teamet använde en Fresnel-lins för att fokusera solljus på ett litet vattenrör som innehåller höga koncentrationer av nanopartiklar suspenderade i vätskan. Vattnet, som hade kylts till nära fryspunkten, började generera ånga inom fem till 20 sekunder, beroende på vilken typ av nanopartiklar som användes. Förändringar i temperatur, tryck och massa avslöjade att 82 procent av solljuset som absorberades av nanopartiklarna gick direkt till att generera ånga medan endast 18 procent gick till att värma vatten.
Det är ett nytt sätt att göra ånga utan kokande vatten, säger Naomi Halas, chef för Laboratory for Nanophotonics vid Rice University. Halas säger att arbetet öppnar upp för många intressanta dörrar vad gäller vad man kan använda ånga till.
Den nya tekniken kan till exempel leda till billiga ånggenererande anordningar för småskalig vattenrening, sterilisering av medicinska instrument och avloppsrening i utvecklingsländer med begränsade resurser och infrastruktur.
Användningen av nanopartiklar för att öka värmeöverföringen i vatten och andra vätskor har studerats väl, men få forskare har tittat på att använda partiklarna för att absorbera ljus och generera ånga.
I den aktuella studien använde Halas och kollegor nanopartiklar optimerade för att absorbera bredast möjliga spektrum av solljus. När ljus träffar partiklarna stiger deras temperatur snabbt till långt över 100 °C, vattnets kokpunkt, vilket gör att omgivande vattenmolekyler förångas.
Exakt hur partiklarna och vattenmolekylerna interagerar förblir något av ett mysterium. Konventionella värmeöverföringsmodeller föreslår att det absorberade solljuset ska försvinna i den omgivande vätskan innan det får vatten att koka. Det verkar finnas någon termisk barriär i nanoskala, eftersom det helt klart gör ånga som en galning, säger Halas.
Systemet som utarbetats av Halas och kollegor uppvisade en effektivitet på 24 procent för att omvandla solljus till ånga.
Todd Otanicar, en maskiningenjör vid University of Tulsa som inte var inblandad i den aktuella studien, säger att fynden kan ha betydande konsekvenser för storskalig solvärmeenergi. Solvärmekraftverk använder vanligtvis koncentrerat solljus för att värma en vätska som olja, som sedan används för att värma vatten för att generera ånga. Otanicar uppskattar att genom att generera ånga direkt med nanopartiklar i vatten kan ett sådant system se en ökad effektivitet på 3 till 5 procent och en kostnadsbesparing på 10 procent eftersom en mindre komplex design kan användas.
Otanicar varnar för att hållbarhet - förmågan hos nanopartiklar att upprepade gånger absorbera solljus och generera ånga - fortfarande måste bevisas, men tillägger att effektiviteten på 24 procent som uppnås i den aktuella studien är uppmuntrande. Det är bara början för att optimera detta tillvägagångssätt, säger han.