Düşük Maliyetli Tuz Arıtma Sistemi

Joule dergisinde yayınlanan bir makalede ekip, tuzlu suyu alan ve doğal güneş ışığıyla ısıtan yeni bir güneş enerjili düşük maliyetli tuz arıtma sisteminin tasarımını özetliyor. Cihazın konfigürasyonu, suyun okyanusun çok daha büyük “termohalin” sirkülasyonuna benzer bir şekilde girdaplar halinde dolaşmasına izin veriyor. Bu sirkülasyon, güneşin ısısıyla birleşerek suyun buharlaşmasını sağlar ve geride tuz bırakır. Ortaya çıkan su buharı daha sonra yoğunlaştırılabilir ve saf, içilebilir su olarak toplanabilir. Bu arada, kalan tuz birikip sistemi tıkamak yerine cihazın içinde ve dışında dolaşmaya devam eder.

Yeni sistem, şu anda test edilen diğer tüm pasif solar tuzdan arındırma konseptlerinden daha yüksek bir su üretim oranına ve daha yüksek bir tuz reddetme oranına sahiptir. Araştırmacılar, sistemin küçük bir bavul boyutuna kadar ölçeklendirilmesi halinde saatte yaklaşık 4 ila 6 litre içme suyu üretebileceğini ve yedek parça gerektirmeden birkaç yıl dayanabileceğini tahmin ediyor.

Bu ölçekte ve performansta sistem, musluk suyundan daha ucuz bir oranda ve fiyatta içme suyu üretebilir. Ekip, ölçeği büyütülmüş bir cihazın pasif olarak küçük bir ailenin günlük ihtiyacını karşılayacak kadar içme suyu üretebileceğini öngörüyor. Sistem aynı zamanda deniz suyuna kolayca erişilebilen, şebekeden bağımsız kıyı topluluklarına da su sağlayabilir.

Ekibin yeni sistemi, aşama adı verilen çoklu katmanlardan oluşan benzer bir konsept olan önceki tasarımlarını geliştiriyor. Her aşama, gelen sudan tuzu pasif olarak ayırmak için güneşten gelen ısıyı kullanan bir buharlaştırıcı ve bir yoğunlaştırıcı içeriyordu. Ekibin bir MIT binasının çatısında test ettiği bu tasarım, güneş enerjisini suyu buharlaştırmak için verimli bir şekilde dönüştürdü ve daha sonra içilebilir suya yoğunlaştırıldı.

Ancak arta kalan tuz, birkaç gün sonra sistemi tıkayan kristaller olarak hızla birikti. Gerçek dünya ortamında, bir kullanıcının kademeleri sık sık değiştirmesi gerekecek ve bu da sistemin toplam maliyetini önemli ölçüde artıracaktı. Takip eden bir çalışmada, benzer bir katman katman konfigürasyona sahip bir çözüm geliştirdiler, bu kez gelen suyun yanı sıra kalan tuzun da sirküle edilmesine yardımcı olan bir özellik eklediler.

Bu tasarım tuzun cihaz üzerinde çökelmesini ve birikmesini önlerken, suyu nispeten düşük bir oranda tuzdan arındırdı. Son yinelemede ekip, hem yüksek su üretim hızı hem de yüksek tuz atımı sağlayan bir tasarıma ulaştığına inanıyor; bu da sistemin uzun bir süre boyunca hızlı ve güvenilir bir şekilde içme suyu üretebileceği anlamına geliyor.

Yeni tasarımlarının anahtarı, önceki iki konseptlerinin bir kombinasyonudur: her aşamada su – ve tuz – sirkülasyonunu artırmak için yapılandırılmış çok aşamalı bir evaporatör ve kondenser sistemi. Ekibin yeni sisteminde üretilen küçük sirkülasyonlar, okyanustaki “termohalin” konveksiyona benziyor – deniz sıcaklığı (“termo”) ve tuzluluk (“halin”) farklılıklarına dayalı olarak suyun dünya çapında hareketini sağlayan bir olgudur.

Deniz suyu havaya maruz kaldığında, güneş ışığı suyun buharlaşmasına neden olur. Su yüzeyden ayrıldıktan sonra geriye tuz kalır. Tuz konsantrasyonu ne kadar yüksekse sıvı o kadar yoğun olur ve bu ağır su aşağıya doğru akmak ister. Kilometrelerce genişlikteki bu fenomeni küçük bir kutuda taklit eden araştırmacılar, tuzu reddetmek için bu özellikten yararlanıyor.

Ekibin yeni tasarımının kalbi, ince bir kutuyu andıran ve güneşin ısısını verimli bir şekilde emen koyu renkli bir malzemeyle kaplı tek bir aşamadan oluşuyor. Kutunun içi üst ve alt bölümlere ayrılmıştır. Su, tavanın doğrudan temas halindeki suyu ısıtmak ve buharlaştırmak için güneş ısısını kullanan bir buharlaştırıcı katmanla kaplı olduğu üst yarıdan akabilir.

Su buharı daha sonra kutunun alt yarısına yönlendiriliyor ve burada yoğunlaşan bir tabaka buharı tuzsuz, içilebilir sıvıya dönüştürüyor. Araştırmacılar kutunun tamamını daha büyük, boş bir kabın içine eğimli bir şekilde yerleştirdikten sonra kutunun üst yarısından kabın alt kısmına doğru bir tüp bağladılar ve kabı tuzlu suda yüzdürdüler.

Bu konfigürasyonda su doğal olarak tüpten yukarı ve kutunun içine doğru itilebilmekte, kutunun eğimi güneşten gelen termal enerjiyle birleşerek suyun akarken girdap oluşturmasına neden olmaktadır. Küçük girdaplar suyun buharlaşan üst katmanla temas etmesine yardımcı olurken, tuzun çökelip tıkanmak yerine dolaşımda kalmasını sağlar.

Ekip bir, üç ve 10 aşamalı birkaç prototip inşa etti ve performanslarını doğal deniz suyu ve yedi kat daha tuzlu su da dahil olmak üzere değişen tuzluluktaki suda test etti. Araştırmacılar bu testlerden, her bir aşamanın bir metrekareye kadar ölçeklendirilmesi halinde saatte 5 litreye kadar içme suyu üretebileceğini ve sistemin birkaç yıl boyunca tuz biriktirmeden suyu tuzdan arındırabileceğini hesapladılar.

Bu uzun kullanım ömrü ve sistemin tamamen pasif olduğu, çalıştırmak için elektrik gerektirmediği gerçeği göz önüne alındığında, ekip sistemi çalıştırmanın toplam maliyetinin ABD’de musluk suyu üretmenin maliyetinden daha ucuz olacağını tahmin ediyor.

Araştırmanın Ana Fikri

• Amaç: Güneş enerjisi kullanarak deniz suyunu tatlı suya dönüştürmek için daha verimli ve güvenilir bir yöntem geliştirmek.
• Yenilik: Araştırma, Thermohaline Solar Membrane Distillation (TSMD) adında yeni bir teknik sunuyor. Bu, mevcut güneşle arıtma yöntemlerine göre önemli bir iyileşme.

Arka Plan

• Mevcut Yöntemlerdeki Sorun: Geleneksel güneş enerjili arıtma yöntemleri, tuz birikimi nedeniyle verimliliklerini ve ömürlerini kaybederler.
• Güneşle Arıtma: Bu, güneş enerjisi kullanarak deniz suyu veya acı suyun tuz ve kirleticilerini gidererek, insan tüketimi, tarım veya endüstriyel kullanım için uygun hale getirme sürecidir.

Nasıl Çalışır

1. Thermohaline Konveksiyon: Okyanuslarda gözlemlenen bu doğal süreç, suyun sıcaklık ve tuz konsantrasyonundaki farklılıklar nedeniyle hareket etmesini içerir. Araştırmacılar, bu prensibi arıtma yöntemlerine uyguladılar.
2. Çok Aşamalı Yaklaşım: Sistem, su üretim verimliliğini artırmak için çoklu aşamalar kullanır. Her aşama, bir öncekinden ısıyı geri kazanarak genel verimliliği artırır.
3. Tuz Direnci: Yöntem, güneşle arıtmada yaygın bir sorun olan tuz birikimine etkin bir şekilde direnir. Bu, tatlı su üretim maliyetini önemli ölçüde düşürür ve güvenilirliği artırır.

Ana Sonuçlar

• Verimlilik: Yeni yöntem, geniş bir tuz konsantrasyonu aralığında güneş enerjisini tatlı suya dönüştürmede rekor düzeyde verimlilik elde etti.
• Uzun Süreli Güvenilirlik: Yüksek tuz konsantrasyonlu deniz suyu kullanılarak bile performans düşüklüğü olmadan uzun süre (örneğin, 180 saat) sürekli çalışma yeteneğini gösterdi.
• Maliyet Azaltma: Verimlilik ve güvenilirliği artırarak, arıtılmış suyun üretim maliyetini önemli ölçüde düşürebilir.

Etkiler

• Çevresel Etki: Bu teknoloji, sera gazı emisyonu yapmadan sürdürülebilir ve maliyet etkin bir tatlı su kaynağı sağlama potansiyeline sahiptir.
• Küresel Önem: Artan küresel su kıtlığı göz önünde bulundurulduğunda, bu yöntem özellikle bol güneş ışığı ve deniz suyu olan ancak sınırlı tatlı su kaynaklarına sahip bölgeler için oyun değiştirici olabilir.

Sonuç

• Güneşle Arıtma Alanında Çığır Açan Bir İlerleme: Araştırma, güneş enerjili arıtma teknolojisinde önemli bir ilerlemeyi sunmaktadır. Thermohaline konveksiyon prensiplerini çok aşamalı damıtma süreciyle bütünleştirerek, mevcut yöntemlerin büyük sınırlamalarını ele alır ve daha verimli, güvenilir ve maliyet etkili bir tatlı su üretim çözümü sunar.

Bu araştırma, özellikle bol güneş ışığına sahip bölgelerde küresel su kıtlığı sorunlarına çözüm sunma konusunda büyük bir vaat taşımaktadır. Güneş enerjisi kullanımı, sürdürülebilir ve çevre dostu bir yaklaşımı temsil eder.

Kaynak:

• https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(23)00360-4
• https://news.mit.edu/2023/desalination-system-could-produce-freshwater-cheaper-0927