Peranti penyahgaraman solar Korea menghasilkan 3.4 liter sejam tanpa elektrik

Penyuling solar ultra cekap dari Korea

Pasukan penyelidik di Institut Sains dan Teknologi Kebangsaan Ulsan (UNIST) di Korea Selatan telah membangunkan peranti penyahgaraman berkuasa solar yang mencatat kadar penyejatan 3.4 liter bagi setiap meter persegi sejam di bawah cahaya matahari satu suria. Prototaip itu menukar air laut menjadi air minuman tanpa sebarang bekalan elektrik luaran, dengan menggunakan cahaya matahari dan bahan fototerma termaju yang dipanggil La0.7Sr0.3MnO3. Peranti itu turut menyelesaikan salah satu masalah paling sukar dalam penyahgaraman solar, iaitu pengumpulan garam pada permukaan penyejat yang menghalang cahaya dan menjejaskan prestasi. Dengan mengalihkan garam terlarut dari bahagian tengah yang panas ke arah tepi, sistem itu terus berfungsi untuk tempoh yang panjang sambil menghasilkan wap air bersih yang boleh dipeluwapkan menjadi cecair.

Penyelidikan yang diketuai Profesor Ji Hyun Jang dari Sekolah Kejuruteraan Tenaga dan Kimia UNIST itu, serta diterbitkan dalam Advanced Energy Materials, menggabungkan struktur sumbu berasaskan kertas yang ringkas dengan permukaan fototerma berkecekapan tinggi. Dalam ujian ketahanan, peranti itu beroperasi dengan stabil selama dua minggu dalam air garam yang mengandungi 20 peratus garam, jauh lebih tinggi berbanding kemasinan 3.5 peratus air laut biasa. Pasukan itu berkata reka bentuk yang sama boleh menyokong pemulihan sumber, termasuk menghablurkan dan mengumpulkan garam di bahagian tepi, berbanding membuang semula air garam pekat ke laut.

Minat terhadap penyahgaraman solar pasif semakin meningkat apabila lebih banyak kawasan berdepan tekanan air. Berbilion-bilion orang tidak mempunyai akses berterusan kepada air minuman yang diurus dengan selamat, manakala masyarakat pesisir pantai sering bergantung pada loji osmosis songsang berkuasa diesel yang mahal untuk dikendalikan dan menghasilkan air garam dalam jumlah besar. Sistem modular yang menghasilkan air tawar hanya dengan cahaya matahari, memerlukan sedikit penyelenggaraan dan tidak menggunakan kuasa grid, boleh mengisi keperluan penting di kampung terpencil, pulau, ladang dan operasi bantuan bencana. Peranti UNIST itu menyasarkan keperluan tersebut dengan menggantikan infrastruktur loji berkapasiti tinggi menggunakan bahan ringkas, geometri bijak dan cahaya matahari.

Bagaimana peranti ini berfungsi

Reka bentuk UNIST menggunakan penyejat berbentuk L terbalik yang unik, dibina berasaskan kertas penyerap air. Kertas itu bertindak seperti kertas litmus dan menarik air laut ke atas melalui tindakan kapilari. Pada bahagian atas seksyen menegak terdapat lapisan fototerma penyerap cahaya yang diperbuat daripada La0.7Sr0.3MnO3, oksida perovskit yang menukarkan cahaya matahari kepada haba dengan kecekapan tinggi. Apabila air laut sampai ke permukaan panas ini, ia menyejat dengan cepat dan meninggalkan garam. Wap air kemudian bergerak ke permukaan yang lebih sejuk, lalu terpeluwap dan dikumpulkan sebagai air tawar cecair.

Ciri utamanya ialah arah aliran. Pasukan itu mereka bentuk pergerakan bendalir sehala merentasi permukaan panas, sekali gus menghasilkan kecerunan kepekatan garam. Ion terlarut bergerak ke kawasan yang mempunyai aktiviti air lebih rendah berhampiran tepi dan menghablur sebagai garam pepejal di tempat yang tidak menghalang cahaya. Kesan pembersihan kendiri ini memastikan zon fototerma di tengah kekal terdedah kepada cahaya matahari, sambil memerangkap garam di bahagian tepi untuk dibuang atau digunakan semula. Geometri dan laluan bendalir melakukan tugas utama, sekali gus mengurangkan keperluan terhadap pam, membran atau pembersihan manual yang kerap.

Mengapa bahan La0.7Sr0.3MnO3 menonjol

Teras peranti ini ialah La0.7Sr0.3MnO3, yang sering dipendekkan sebagai LSMO. Bahan ini ialah oksida perovskit, iaitu kelas bahan yang terkenal dengan sifat optik dan elektrik yang boleh ditala. Tidak seperti perovskit halida berasaskan plumbum yang lazim digunakan dalam sel solar, LSMO mengandungi lantanum, strontium dan mangan serta tidak bergantung pada plumbum yang mudah meruap atau toksik. Ini menjadikannya sesuai untuk aplikasi air yang memerlukan kestabilan dan keselamatan alam sekitar.

LSMO berfungsi dengan baik sebagai penukar fototerma kerana cara bahan ini mengendalikan pembawa cas teruja di bawah cahaya matahari. Secara ringkas, bahan ini membentuk keadaan perangkap dalam struktur elektroniknya. Apabila cahaya menolak elektron ke keadaan tenaga lebih tinggi, banyak elektron bergabung semula tanpa memancarkan cahaya, sebaliknya melepaskan tenaganya secara langsung sebagai haba. Laluan tanpa sinaran ini, yang sering dipanggil pengtermalan, menukarkan sebahagian besar tenaga solar yang masuk kepada haba setempat di permukaan. Pelepasan haba yang cekap menaikkan suhu dengan cepat dan mempercepat penyejatan bagi jumlah cahaya matahari tertentu.

Mengatasi masalah garam

Pencemaran akibat garam sekian lama membantutkan penyahgaraman solar. Apabila air menyejat, garam terlarut menjadi semakin pekat dan akhirnya menghablur pada permukaan panas. Hablur itu menyerakkan cahaya dan menghalang pemindahan haba, lalu kadar penyejatan merosot dengan ketara. Banyak sistem terdahulu berfungsi dengan baik selama beberapa jam, tetapi kemudian perlu dibersihkan atau dihentikan sementara untuk membilas garam. Pasukan UNIST menangani cabaran ini melalui geometri dan aliran terkawal, bukannya salutan kompleks atau komponen bergerak.

Bentuk L terbalik dan aliran sehala menghasilkan kecerunan garam yang berterusan, lalu menolak ion menjauhi zon panas paling terang. Hablur mula terbentuk dan membesar di bahagian tepi, tempat ia mudah dikumpulkan. Dalam ujian makmal, peranti itu terus berfungsi selama dua minggu walaupun dalam larutan sangat masin yang mengandungi 20 peratus jumlah garam terlarut. Kepekatan itu lazim bagi air garam yang dilepaskan daripada proses perindustrian dan jauh melebihi air laut terbuka, sekali gus menunjukkan ruang prestasi yang besar untuk operasi menggunakan air laut sebenar serta kemungkinan penggunaan bagi pemekatan air garam dan pemulihan sumber.

Memahami angka prestasi

Kadar penyejatan yang dilaporkan ialah 3.40 kilogram bagi setiap meter persegi sejam di bawah cahaya matahari satu suria. Satu suria merujuk kepada cahaya matahari ujian piawai pada kira-kira satu kilowatt bagi setiap meter persegi. Banyak penyuling solar pasif menghasilkan sekitar 0.3 hingga 0.4 kilogram bagi setiap meter persegi sejam dalam ujian serupa, maka prototaip UNIST beroperasi lapan hingga sepuluh kali lebih pantas. Dalam amalan, penghasilan air harian bergantung pada jumlah cahaya matahari setempat sepanjang hari dan kecekapan pemeluwap yang menukarkan wap kembali menjadi cecair. Jika menerima cahaya matahari terik selama beberapa jam, modul seluas satu meter persegi pada kadar yang dilaporkan boleh menghasilkan puluhan liter sehari. Tatasusunan beberapa modul boleh meningkatkan penghasilan itu lagi.

Perlu dibezakan antara kadar penyejatan dengan jumlah air minuman yang dihasilkan. Angka makmal mengukur jumlah jisim yang meninggalkan permukaan panas sebagai wap setiap jam. Sistem sebenar perlu menangkap dan memeluwapkan hampir semua wap itu ke dalam takungan bersih, sambil meminimumkan kehilangan haba. Reka bentuk pemeluwap yang baik, penebat haba dan penggunaan semula haba pendam boleh meningkatkan jumlah hasil sistem sehingga menghampiri kadar penyejat. Pasukan UNIST turut menyatakan bahawa sifat antikotoran peranti itu merupakan faktor utama yang menyumbang kepada penghasilan stabil, kerana permukaan fototerma yang bersih mengekalkan penyerapan cahaya dan penjanaan haba dari semasa ke semasa.

Perbandingan dengan penyahgaraman konvensional

Osmosis songsang mendominasi penyahgaraman moden. Kaedah ini menolak air laut melalui membran halus pada tekanan tinggi, lalu menghasilkan air tawar dalam jumlah besar untuk bandar dan industri. Namun, prestasi itu datang dengan beberapa kompromi. Osmosis songsang menggunakan beberapa kilowatt jam elektrik bagi setiap meter padu air yang dihasilkan, memerlukan rawatan awal untuk melindungi membran dan melepaskan air garam pekat yang perlu diuruskan secara bertanggungjawab. Kos modal loji juga tinggi dan biasanya memerlukan sambungan grid atau sumber kuasa khusus.

Penyejat solar pasif seperti reka bentuk UNIST tidak memerlukan tekanan, pam atau penggunaan elektrik yang tinggi. Penghasilan airnya lebih rendah bagi setiap unit masa dan keluasan, tetapi ia boleh beroperasi di luar grid dengan senyap dan penyelenggaraan yang lebih ringkas. Keupayaan mengarahkan penghabluran garam ke bahagian tepi turut mengurangkan isipadu air garam. Di kawasan beriklim sesuai, kawasan yang dipenuhi penyejat modular boleh membekalkan air minuman kepada isi rumah, klinik atau ladang, manakala pemasangan yang lebih besar boleh memenuhi keperluan masyarakat setempat. Bagi bandar, penyejatan solar lebih berkemungkinan melengkapi dan bukannya menggantikan loji berkapasiti tinggi, sebagai sistem sokongan berdaya tahan atau penyelesaian untuk kawasan terpencil di pinggir grid.

Kegunaan dan kaedah penggunaan

Peranti ini menyasarkan lokasi yang mempunyai bekalan kuasa grid terhad dan kekurangan petugas penyelenggaraan. Masyarakat pulau, perkampungan nelayan dan ladang pesisir pantai menepati ciri tersebut. Begitu juga operasi kemanusiaan selepas ribut, gempa bumi atau konflik yang merosakkan infrastruktur air. Konsep pasukan itu bersifat modular, maka ia boleh digunakan sebagai panel tunggal untuk keperluan kecil atau dalam kelompok bagi permintaan yang lebih tinggi. Bunyi yang rendah dan ketiadaan peralatan tekanan tinggi juga menjadikannya sesuai untuk sekolah dan klinik yang memerlukan kebolehpercayaan serta keselamatan.

Memandangkan reka bentuk ini mengalihkan garam ke bahagian tepi, sistem itu juga boleh berfungsi sebagai alat pemulihan sumber. Daripada melepaskan air garam cecair pekat, pengendali boleh mengumpulkan garam kering dan mineral lain yang telah menghablur. Hal ini boleh mengurangkan kesan terhadap alam sekitar dan mewujudkan sumber pendapatan kecil. Pasukan itu mencadangkan versi masa depan yang menggabungkan banyak penyejat berbentuk L terbalik ke dalam modul lebih besar, sekali gus membuka laluan kepada pemasangan dan penyelenggaraan di lapangan yang lebih mudah.

Meningkatkan skala dan cabaran kejuruteraan

Peralihan daripada prototaip makmal kepada perkakasan lapangan memerlukan perhatian teliti terhadap bahan, pembuatan dan pengurusan haba. Sumbu kertas penyejat perlu tahan terhadap kitaran basah dan kering selama berbulan-bulan, pencemaran biologi daripada organisma marin serta pendedahan kepada sinaran ultraungu. Permukaan fototerma pula perlu mengekalkan penyerapan cahaya dan penukaran haba dengan kemerosotan minimum. LSMO ialah oksida perovskit yang mempunyai kestabilan haba yang baik, satu kelebihan untuk kegunaan ini. Kaedah pengeluaran akan mempengaruhi kos. Teknik yang dapat menyalut kawasan luas secara seragam pada suhu rendah boleh mengurangkan perbelanjaan dan meningkatkan kebolehulangan hasil.

Pemeluwapan dan pemulihan haba merupakan faktor utama kecekapan sistem. Setiap kilogram wap membawa sejumlah besar haba pendam. Reka bentuk yang memeluwapkan wap pada permukaan yang berkongsi haba dengan air laut yang masuk boleh mengitar semula tenaga itu dan meningkatkan jumlah penghasilan. Ruang perumah perlu meminimumkan kehilangan haba dan kebocoran wap, namun kekal mudah dibersihkan. Habuk, percikan air dan hablur garam perlu diurus melalui rutin pembersihan ringkas. Ujian ketahanan pasukan itu dalam kemasinan yang sangat tinggi memberikan hasil memberangsangkan, namun ujian selama beberapa bulan di persekitaran pesisir pantai akan membantu membuktikan ketahanan jangka panjang dan mengenal pasti keperluan penyelenggaraan. Kerjasama dengan organisasi bantuan dan utiliti tempatan boleh menyokong ujian tersebut serta membantu menentukan pilihan reka bentuk bagi iklim yang berbeza.

Pertimbangan iklim dan kelestarian

Penyahgaraman solar menawarkan kelebihan iklim yang jelas untuk lokasi di luar grid. Kaedah ini menggantikan elektrik dengan cahaya matahari dan mengelakkan penggunaan bahan api serta pelepasan daripada penjana diesel. Namun, kesan sepanjang kitaran hayat tetap penting, daripada sumber lantanum dan strontium hingga pembuatan penyerap dan perumah. Penggunaan bahan tahan lama dan pemasangan ringkas boleh memanjangkan hayat operasi serta menyebarkan jejak karbon terkandung sepanjang bertahun-tahun perkhidmatan. Ketiadaan pam tekanan tinggi mengurangkan penggunaan tenaga dan bunyi, sekali gus membawa manfaat kepada masyarakat pesisir pantai dan hidupan liar.

Aliran sisa yang dihasilkan berbeza daripada loji konvensional. Dengan menghablurkan garam di bahagian tepi, pendekatan UNIST boleh mengurangkan pelepasan air garam pekat ke perairan berhampiran pantai. Jika boleh, garam yang dikumpulkan boleh digunakan semula dalam proses perindustrian atau dikembalikan dengan selamat ke kolam pengeringan garam. Hal ini selaras dengan usaha menjadikan penyahgaraman lebih serasi dengan ekosistem marin serta matlamat air bersih dan sanitasi di bawah sasaran pembangunan global. Apabila perubahan iklim mencetuskan kemarau dan gelombang haba yang lebih teruk, alat praktikal yang menukarkan air laut yang banyak kepada air minuman selamat dengan penggunaan tenaga minimum akan menjadi sebahagian daripada pelan penyesuaian setempat.

Perkara penting

• Penyelidik UNIST membina peranti penyahgaraman solar tanpa elektrik yang mencatat 3.40 kilogram bagi setiap meter persegi sejam di bawah cahaya matahari satu suria.
• Reka bentuk itu menggunakan sumbu kertas dan geometri berbentuk L terbalik untuk membawa air laut ke permukaan fototerma.
• Lapisan fototerma diperbuat daripada La0.7Sr0.3MnO3, oksida perovskit yang menukarkan cahaya matahari kepada haba melalui penggabungan semula tanpa sinaran.
• Aliran sehala mengalihkan garam ke bahagian tepi, sekali gus mengurangkan pengotoran dan halangan cahaya di bahagian tengah yang panas.
• Ujian ketahanan menunjukkan operasi stabil selama dua minggu dalam larutan yang mengandungi 20 peratus garam, lebih tinggi daripada kandungan garam air laut biasa.
• Penyuling solar pasif biasa menghasilkan 0.3 hingga 0.4 kilogram bagi setiap meter persegi sejam, maka kadar yang dilaporkan kira-kira lapan hingga sepuluh kali lebih tinggi.
• Konsep ini menyokong penuaian garam dan mengurangkan pelepasan air garam cecair berbanding banyak pendekatan konvensional.
• Tatasusunan modul boleh membekalkan air di luar grid kepada kampung, klinik, pulau dan operasi bantuan bencana.
• Penyelidikan itu diterbitkan dalam Advanced Energy Materials dan diketuai Profesor Ji Hyun Jang dengan Dr. Saurav Chaule sebagai penulis utama.
• Ujian lapangan, reka bentuk pemeluwap dan pembuatan berskala besar akan menentukan hasil serta kos dalam penggunaan sebenar.