[論文レビュー] Enhanced solar evaporation using a photo-thermal umbrella: towards zero liquid discharge wastewater management

Akanksha K. Menon, Iwan Haechler+3 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Solar-Powered Water Purification Methods参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、太陽光を中赤外線放射に変換する放射結合を用いて、水に強く吸収される中赤外線に変換することで、太陽光蒸発を100%以上効率化する、非接触で受動的な光熱アンブレラを提案する。このシステムは、低コストで商業的に入手可能な材料を用いることで、効率的でスケーラブルなゼロリキッドディスcharge（ZLD）廃水処理と塩回収を実現する。

ABSTRACT

Rising water demands and depleting freshwater resources have brought desalination and wastewater treatment technologies to the forefront. For sustainable water management, there is a global push towards Zero Liquid Discharge (ZLD) with the goal to maximize water recovery for reuse, and to produce solid waste that lowers the environmental impact of wastewater disposal. Evaporation ponds harvest solar energy as heat for ZLD, but require large land areas due to low evaporation rates. Here, we demonstrate a passive and non-contact approach to enhance evaporation by more than 100% using a photo-thermal umbrella. By converting sunlight into only mid-infrared radiation where water is strongly absorbing, efficient utilization of solar energy and heat localization at the water surface through radiative coupling are achieved. The non-contact nature of the device makes it uniquely suited to treat a wide range of wastewater, and the use of commercially available materials enables a potentially low cost and scalable technology for the sustainable disposal of wastewater, with the added benefit of salt recovery.

研究の動機と目的

• 増加する水需要と淡水資源の枯渇という世界的な課題に対応する持続可能な水管理を実現すること。
• 蒸発速度が低く、広大な土地を必要とする従来の蒸発 Pond の限界を克服すること。
• ゼロリキッドディスcharge（ZLD）廃水処理のための受動的で非接触の方法を確立し、太陽光蒸発を効率化すること。
• 商業的に入手可能な材料を用いて、回収可能な塩を伴う効率的でスケーラブルかつ低コストの廃水処理を実現すること。
• 環境への影響を最小限に抑えながら、高い水回収率を達成すること。

提案手法

• 太陽放射を中赤外線（mid-IR）放射に選択的に変換する光熱アンブレラの設計。
• 物理的接触を避けることで熱損失を最小限に抑える放射結合を用いて、水の表面に局所的な熱を集中させる。
• 太陽光吸収性が高く、選択的な中赤外線放射特性を持つ材料を採用し、エネルギー利用効率を最大化する。
• 非接触設計により、汚れや目詰まりを防ぎ、多様な廃水種の処理が可能となる。
• 商業的に入手可能な材料を活用することで、実世界のZLD応用に向けた低コストでスケーラブルな展開を可能にする。
• デバイスの幾何形状および材料特性を最適化し、局所的な熱放射によって蒸発速度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非接触で受動的なデバイスは、従来の蒸発 Pond よりも顕著に蒸発速度を向上させることができるか？
• RQ2 中赤外線放射による放射結合は、水の表面に熱を局所化させ、蒸発を効率化するためにどの程度有効か？
• RQ3 太陽光と選択的熱放射のみを用いて、光熱アンブレラが100%を超える蒸発率の向上を達成できるか？
• RQ4 このシステムは、劣化や汚れを伴わず、多様な廃水種に適用可能か？
• RQ5 実世界のゼロリキッドディスcharge廃水処理システムにおいて、スケーラビリティとコスト効率の潜在的価値は何か？

主な発見

• 光熱アンブレラは、従来の太陽光蒸発プロセスと比較して、蒸発速度を100%以上向上させた。
• 選択的な中赤外線放射により、水の表面に効率的に熱を局所化させ、熱損失を最小限に抑えた。
• 非接触設計により、汚れや目詰まりを防ぎ、多様な廃水ストリームの処理が可能となった。
• 商業的に入手可能な材料の使用により、産業および都市廃水処理への低コストでスケーラブルな展開が可能となった。
• この技術は、高い水回収率を達成し、固体残渣（塩）を生成するため、ゼロリキッドディスchargeの目標達成を支援する。
• アンブレラと水の表面との間の放射結合により、エネルギー利用効率が顕著に向上した。