سامانه تبخیر خودتمیزشونده خورشیدی بر پایه چوب مهندسی‌شده برای نمک‌زدایی پایدار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی فرآیند، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه تربیت مدرس

چکیده
موضوع تحقیق: نمک‌زدایی خورشیدی مبتنی بر تبخیر سطحی به‌دلیل بازده بالای تبدیل انرژی خورشیدی به بخار، اثرات زیست‌محیطی کم و قابلیت استفاده در مناطق دورافتاده، به‌عنوان راهکاری مؤثر برای مقابله با بحران جهانی کمبود آب مطرح است. بااین‌حال، تجمع نمک‌های محلول در سطح تبخیر، به‌ویژه نمک‌های با حلالیت بالا، موجب کاهش نرخ تبخیر و مختل‌شدن عملکرد پایدار سامانه‌های موجود می‌شود. بنابراین توسعه سامانه‌هایی با قابلیت خودتمیزشوندگی و انتقال مؤثر آب برای جلوگیری از رسوب نمک امری ضروری است.
روش تحقیق: در این پژوهش، سامانه تبخیر خورشیدی خودتمیزشونده مبتنی بر چوب چنار مهندسی‌شده توسعه داده شده، عملکرد آن در فرایند نمک‌زدایی به‌طور منظم ارزیابی می‌شود. برای این منظور، چهار سامانه شامل یک نمونه مرجع بدون مجاری مصنوعی و سه سامانه با مجاری عمودی به قطر 1، 1.5 و 2 میلی‌متر طراحی، ساخته و تحت تابش کنترل‌شده یک خورشید مورد آزمایش قرار گرفتند. آزمون‌ها با محلول‌های نمکی نماینده آب دریا ( wt.% 3.5) و آب بسیار شور (wt.% 20) انجام می‌گیرد. رفتار انتقال آب، سازوکار مهاجرت نمک و کیفیت آب تقطیرشده با استفاده از سنجش یون‌های Na+، Mg2+، K+ و Ca2+ ارزیابی می‌شود. علاوه‌بر‌این، پایداری عملیاتی سامانه طراحی‌شده از طریق آزمایش‌های تکرارپذیری چندچرخه‌ای بررسی می‌شود.
نتایج اصلی: نتایج نشان داد سامانه WSE-1.5 بالاترین نرخ تبخیر پایدار را ارائه داده، به‌طوری که در محلول‌های wt.% NaCl 3.5 و wt.% 20 به‌ترتیب به نرخ تبخیر 2.48 و kg.m-2.h-1 2.04 دست یافته است. این عملکرد خوب به تبادل یونی بین ریز مجاری طبیعی چوب، حاوی غلظت‌های بالاتر یون نمک و مجاری حفرشده در مقیاس میلی‌متری با غلظت‌های پایین‌تر نسبت داده می‌شود؛ به‌طوری که تفاوت در رسانایی هیدرولیکی بین این مسیرها، مهاجرت نمک را از مجاری میلی‌متری به میکرومتری و سپس به توده آب هدایت می‌کند. همچنین ساختار مهندسی‌شده، انتقال پیوسته آب به سطح را تضمین کرده، تولید بخار را حتی در آزمون‌های طولانی‌مدت حفظ می‌کند. آب جمع‌آوری‌شده دارای غلظت یون‌هایی کمتر از حدود مجاز سازمان بهداشت جهانی (WHO) و آژانس حفاظت از محیط زیست (EPA) است. بررسی چرخه‌ای نیز نشان داده که عملکرد سامانه WSE-1.5 پس از 15 چرخه بدون افت محسوس پایدار باقی مانده است. در مجموع، سامانه پیشنهادی راهکاری کارآمد، پایدار و کم‌هزینه برای نمک‌زدایی از آب‌های شور در شرایط محیطی سخت ارائه می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Self-Cleaning Solar Evaporation System Based on Engineered Wood for Sustainable Desalination

نویسندگان English

Behzad Naghdi
Farid Mahjoub
Farzaneh Arabpour Roghabadi
Process Engineering Department, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University
چکیده English

Research subject: Solar desalination based on interfacial evaporation has emerged as a promising strategy for mitigating global freshwater shortages due to its high solar-to-vapor conversion efficiency, low environmental footprint, and suitability for remote or off-grid deployment. However, salt accumulation at the evaporation interface, particularly from highly soluble species, significantly reduces vapor generation and undermines long-term system stability. Therefore, developing self-cleaning structures capable of maintaining continuous water transport while preventing salt crystallization is essential for practical field operation.
Research approach: This study develops a self-cleaning solar evaporator based on engineered sycamore wood and systematically evaluates its desalination performance. For this purpose, four systems are designed and fabricated, including a reference sample without artificial channels and three systems incorporating vertical channels with diameters of 1.0, 1.5, and 2.0 mm, which are evaluated under controlled one-sun irradiation using NaCl solutions representative of seawater (3.5 wt.%) and highly saline water (20 wt.%). Water transport behavior, ion migration mechanisms, and condensate quality are assessed through continuous evaporation experiments and ion concentration analyses for Na⁺, Mg²⁺, K⁺, and Ca²⁺. Additionally, operational stability is examined through multi-cycle repeatability tests.
Main results: The WSE-1.5 device exhibits the highest steady evaporation rates, achieving 2.48 and 2.04 kg.m⁻².h⁻¹ in 3.5 wt.% and 20 wt.% NaCl solutions, respectively. This favorable performance is attributed to the ion exchange between the natural microchannels of the wood, which contain higher concentrations of salt ions, and the drilled millimeter-scale channels with lower concentrations. The difference in hydraulic conductivity between these pathways drives salt migration from the millimeter-scale channels to the microchannels and subsequently into the bulk water. The engineered structure also maintains timely water replenishment at the evaporation surface, ensuring stable vapor production. The condensate quality meets World Health Organization (WHO) and Environmental Protection Agency (EPA) potable water standards, with significantly reduced concentrations of Na⁺, Mg²⁺, K⁺, and Ca²⁺. Repeatability tests confirm that WSE-1.5 retained its performance after 15 cycles with negligible degradation. Overall, the proposed wood-based evaporator offers an efficient, robust, and cost-effective solution for desalinating saline waters in challenging environments.

کلیدواژه‌ها English

Seawater desalination
solar steam generation system
hydraulic conductivity
self-cleaning system
engineered wood

  • تاریخ دریافت 20 دی 1404
  • تاریخ بازنگری 29 دی 1404
  • تاریخ پذیرش 04 بهمن 1404
  • تاریخ اولین انتشار 01 مرداد 1405
  • تاریخ انتشار 01 مرداد 1405