211service.com
Nanodeeltjes maken stoom zonder water aan de kook te brengen
Stoom is een belangrijk ingrediënt in een breed scala van industriële en commerciële processen, waaronder elektriciteitsopwekking, waterzuivering, alcoholdestillatie en sterilisatie van medische apparatuur.
Het genereren van die stoom vereist echter meestal enorme hoeveelheden energie om water of een andere vloeistof te verwarmen en uiteindelijk te koken. Nu hebben onderzoekers van Rice University een kortere weg gevonden. Met behulp van lichtabsorberende nanodeeltjes die in water zijn gesuspendeerd, was de groep in staat om de watermoleculen rond de nanodeeltjes in stoom om te zetten, terwijl de temperatuur van het resterende water nauwelijks werd verhoogd. De truc zou de kosten van veel stoomafhankelijke processen drastisch kunnen verlagen.
Het Rice-team gebruikte een Fresnel-lens om zonlicht te focussen op een buisje met water dat hoge concentraties nanodeeltjes bevat die in de vloeistof zijn gesuspendeerd. Het water, dat was afgekoeld tot bijna het vriespunt, begon binnen vijf tot twintig seconden stoom te genereren, afhankelijk van het type nanodeeltjes dat werd gebruikt. Veranderingen in temperatuur, druk en massa onthulden dat 82 procent van het zonlicht dat door de nanodeeltjes werd geabsorbeerd, rechtstreeks naar het genereren van stoom ging, terwijl slechts 18 procent naar het verwarmen van water ging.
Het is een nieuwe manier om stoom te maken zonder water te koken, zegt Naomi Halas, directeur van het Laboratory for Nanophotonics aan de Rice University. Halas zegt dat het werk veel interessante deuren opent in termen van waar je stoom voor kunt gebruiken.
De nieuwe techniek zou bijvoorbeeld kunnen leiden tot goedkope stoomopwekkingsapparaten voor kleinschalige waterzuivering, sterilisatie van medische instrumenten en rioolwaterzuivering in ontwikkelingslanden met beperkte middelen en infrastructuur.
Het gebruik van nanodeeltjes om de warmteoverdracht in water en andere vloeistoffen te vergroten is goed bestudeerd, maar weinig onderzoekers hebben gekeken naar het gebruik van de deeltjes om licht te absorberen en stoom te genereren.
In de huidige studie gebruikten Halas en collega's nanodeeltjes die zijn geoptimaliseerd om het breedst mogelijke spectrum van zonlicht te absorberen. Wanneer licht de deeltjes raakt, stijgt hun temperatuur snel tot ruim boven 100 °C, het kookpunt van water, waardoor omringende watermoleculen verdampen.
Hoe de deeltjes en watermoleculen precies op elkaar inwerken, blijft een beetje een mysterie. Conventionele modellen voor warmteoverdracht suggereren dat het geabsorbeerde zonlicht in de omringende vloeistof moet verdwijnen voordat het water gaat koken. Er lijkt een thermische barrière op nanoschaal te zijn, omdat het duidelijk stoom maakt als een gek, zegt Halas.
Het door Halas en collega's bedachte systeem vertoonde een efficiëntie van 24 procent bij het omzetten van zonlicht in stoom.
Todd Otanicar, een werktuigbouwkundig ingenieur aan de Universiteit van Tulsa die niet betrokken was bij het huidige onderzoek, zegt dat de bevindingen belangrijke implicaties kunnen hebben voor de grootschalige opwekking van thermische zonne-energie. Thermische zonne-energiecentrales gebruiken meestal geconcentreerd zonlicht om een vloeistof zoals olie te verwarmen, die vervolgens wordt gebruikt om water te verwarmen om stoom te genereren. Otanicar schat dat door stoom rechtstreeks met nanodeeltjes in water te genereren, een dergelijk systeem een verhoogde efficiëntie van 3 tot 5 procent en een kostenbesparing van 10 procent zou kunnen opleveren omdat een minder complex ontwerp zou kunnen worden gebruikt.
Otanicar waarschuwt dat duurzaamheid - het vermogen van nanodeeltjes om herhaaldelijk zonlicht te absorberen en stoom te genereren - nog moet worden bewezen, maar voegt eraan toe dat de efficiëntie van 24 procent die in het huidige onderzoek is behaald, bemoedigend is. Het is nog maar het begin om deze aanpak te optimaliseren, zegt hij.