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  • 如何利用激光来应对全球水危机?

    类别:工业技术       2020-07-16 | 101阅读       标签:

    干净饮用水供应一直被许多地区视为是一项基本人权,但世界许多地区的情况非常不同,第三世界就一直在为干净的饮用水作奋斗。一种新型基于激光的铝卫生系统可以帮助发展中国家提供干净水,拯救生命。


    由纽约罗彻斯特大学光学研究所的Subhash Singh领导的一个研究小组认为,基于太阳能的水卫生,可能是向迅速增长的世界人口提供可持续干净水的关键。该研究结果发表在《自然:可持续性》(Nature Sustainability)杂志上。


    世界卫生组织已将紫外线照射对透明瓶子进行太阳消毒和对不透明容器进行热消毒列为一段时间内清洁水的方法。市场上亦有多种利用阳光净化水体的系统。但这些系统有明显的缺陷:可扩展性问题。一个可以为一小群人或一个家庭消毒的系统,可能在为整个城镇或村庄消毒时没有多大用处。再加上水消毒系统的相关费用,使得每9个人中就有1个人(约7.85亿人)得不到干净水。其中,每年有100万人死于缺乏干净水。

    如何利用激光来应对全球水危机?


    研究小组发现了当前水卫生系统的几个问题,尤其是太阳能驱动的界面蒸发问题。这些包括但不限于:无法控制界面蒸发器的太阳能跟踪限制,这意味着当太阳的角度发生变化时,光学浓度就会下降,从而导致消毒能力降低。另一个问题是严重降低设备效率的阻塞效应。


    由于目前的太阳能杀菌系统使用的是“自下而上”的加热系统,因此产生的大部分能量会通过水与空气的蒸发而损失掉。有些系统通过在空气/水界面的位置引入太阳热能生成系统来解决这个效率问题。由于这个表面漂浮在水面上,无法准确定位面对入射光,并且通过与芯水的接触,堵塞问题也会加剧。


    此外,还有一个非常重要的问题:目前的太阳能净化器只能消除生物污染。还有其他大量污染物,尤其是重金属,没有得到处理。


    该团队建议使用一种具有超强吸水性和超强吸光性的表面来用太阳能对水进行卫生消毒。这种具备超强吸水性和超强吸光性的表面由铝组成,铝易于获得,且成本低。


    然而,传统未经处理的铝不具有吸水所需的多孔性质。此外,它的表面是反光的,因此不会吸收光线。为了解决这个问题,研究小组用飞秒激光脉冲对铝进行了激光处理。这种激光处理产生的多孔表面令水能够在重力的影响下以大约每秒2毫米的稳定速度运行。这意味着水可以被输送到太阳能吸收表面,进行消毒。


    因此,这种多孔表面可以以任何角度安装于浮动平台上,以增加太阳光线的入射率。这也意味着这种面板与太阳跟踪系统相连,追踪太阳的运动轨迹,把消毒水平保持在最佳状态。


    研究人员还重点研究了这种多孔表面的形状,以及它是如何通过水分散热量的。他们发现U形的表面能把与水面的接触最小化,成为目前最节能的模型。到目前为止,该团队所记录到的蒸发速率甚至超过了在100%效率运行状态下的理想设备。


    研究团队不仅对受生物污染的水进行了测试,还对受金属、家庭和农业废弃物等其他污染物污染的水进行了测试,他们的研究结果发现水的密度下降了4-5个数量级,达到世卫组织安全饮用水标准。


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