211service.com
Nanopartikler laver damp uden at bringe vand i kog
Damp er en nøgleingrediens i en lang række industrielle og kommercielle processer - inklusive elproduktion, vandrensning, alkoholdestillation og sterilisering af medicinsk udstyr.
At generere denne damp kræver dog typisk enorme mængder energi til at opvarme og til sidst koge vand eller en anden væske. Nu har forskere ved Rice University fundet en genvej. Ved at bruge lysabsorberende nanopartikler suspenderet i vand, var gruppen i stand til at omdanne vandmolekylerne, der omgiver nanopartiklerne, til damp, mens den næsten ikke hævede temperaturen på det resterende vand. Tricket kunne dramatisk reducere omkostningerne ved mange dampafhængige processer.
Rice-teamet brugte en Fresnel-linse til at fokusere sollys på et lille rør med vand, der indeholdt høje koncentrationer af nanopartikler suspenderet i væsken. Vandet, som var blevet afkølet til næsten frysepunktet, begyndte at generere damp inden for fem til 20 sekunder, afhængigt af typen af anvendte nanopartikler. Ændringer i temperatur, tryk og masse afslørede, at 82 procent af sollyset absorberet af nanopartiklerne gik direkte til at generere damp, mens kun 18 procent gik til opvarmning af vand.
Det er en ny måde at lave damp på uden kogende vand, siger Naomi Halas, direktør for Laboratory for Nanophotonics på Rice University. Halas fortæller, at værket åbner en masse interessante døre i forhold til, hvad man kan bruge damp til.
Den nye teknik kan f.eks. føre til billige dampgenereringsanordninger til vandrensning i lille målestok, sterilisering af medicinske instrumenter og spildevandsbehandling i udviklingslande med begrænsede ressourcer og infrastruktur.
Brugen af nanopartikler til at øge varmeoverførslen i vand og andre væsker er blevet grundigt undersøgt, men få forskere har set på at bruge partiklerne til at absorbere lys og generere damp.
I den aktuelle undersøgelse brugte Halas og kolleger nanopartikler, der var optimeret til at absorbere det bredest mulige spektrum af sollys. Når lys rammer partiklerne, stiger deres temperatur hurtigt til et godt stykke over 100 °C, vands kogepunkt, hvilket får omgivende vandmolekyler til at fordampe.
Præcis hvordan partiklerne og vandmolekylerne interagerer forbliver noget af et mysterium. Konventionelle varmeoverførselsmodeller foreslår, at det absorberede sollys bør spredes ud i den omgivende væske, før det får vand til at koge. Der ser ud til at være en eller anden termisk barriere i nanoskala, for det laver tydeligvis damp som en sindssyg, siger Halas.
Systemet udviklet af Halas og kolleger udviste en effektivitet på 24 procent i at konvertere sollys til damp.
Todd Otanicar, en maskiningeniør ved University of Tulsa, som ikke var involveret i den aktuelle undersøgelse, siger, at resultaterne kan have betydelige konsekvenser for storskala termisk solenergiproduktion. Solvarmekraftværker bruger typisk koncentreret sollys til at opvarme en væske som olie, som derefter bruges til at opvarme vand for at generere damp. Otanicar vurderer, at ved at generere damp direkte med nanopartikler i vand, kunne et sådant system opnå en øget effektivitet på 3 til 5 procent og en omkostningsbesparelse på 10 procent, fordi et mindre komplekst design kunne bruges.
Otanicar advarer om, at holdbarhed - nanopartiklers evne til gentagne gange at absorbere sollys og generere damp - stadig skal bevises, men tilføjer, at de 24 procent effektivitet opnået i den nuværende undersøgelse er opmuntrende. Det er kun begyndelsen til at optimere denne tilgang, siger han.