[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种被动式、非接触式的光热伞，通过辐射耦合将阳光转化为被水吸收的中红外辐射，使太阳能蒸发效率提升超过100%。该系统可实现高效、可扩展的零液体排放废水处理，并回收盐分，所用材料成本低廉且为市售产品。

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.

研究动机与目标

• 应对全球对可持续水资源管理的需求日益增长以及淡水资源日益减少的挑战。
• 克服传统蒸发池效率低下且需占用大面积土地的局限性。
• 开发一种被动式、非接触式方法，以提升太阳能蒸发效率，实现零液体排放（ZLD）废水处理。
• 利用市售材料实现高效、可扩展且低成本的废水处理，同时实现盐分回收。
• 在最大限度减少废水处置对环境影响的同时，实现高水回收率。

提出的方法

• 设计一种光热伞，可选择性地将太阳辐射转化为中红外（中红外）辐射，该辐射能被水强烈吸收。
• 利用辐射耦合技术将热量局部化于水面，而无需物理接触，从而最小化热损失。
• 采用具有高太阳吸收率和选择性中红外发射特性的材料，以最大化能量利用效率。
• 确保非接触式运行，从而可处理多种类型的废水，避免结垢或堵塞。
• 利用市售材料，实现低成本、可扩展的部署，适用于实际的ZLD应用。
• 优化设备几何结构和材料特性，通过定向热辐射提升蒸发速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 非接触式、被动式装置是否能显著提升太阳能蒸发速率，超越传统蒸发池？
• RQ2 通过中红外发射实现的辐射耦合，在水面局部化热量方面效果如何，能否有效提升蒸发效率？
• RQ3 光热伞仅依靠阳光和选择性热辐射，能否实现蒸发速率超过100%的提升？
• RQ4 该系统是否可适用于多种类型的废水，而不会出现性能退化或结垢？
• RQ5 在实际零液体排放废水处理系统中，该技术在可扩展性和成本效益方面具有多大潜力？

主要发现

• 与传统太阳能蒸发工艺相比，光热伞使蒸发速率提升了超过100%。
• 通过选择性中红外发射，系统实现了热量在水面的高效局部化，显著减少了热损失。
• 非接触式设计可有效处理多种废水，避免结垢或堵塞。
• 采用市售材料支持低成本、可扩展的部署，适用于工业和市政废水处理。
• 该技术可实现高水回收率，并产生固态残余物（盐分），有助于实现零液体排放目标。
• 光热伞与水面之间的辐射耦合显著提升了能量利用效率。