Текущий проект, разработанный и реализованный в Технологическом университете Коауила в Паррас-де-ла-Фуэнте, Коауила, Мексика, по обеспечению безопасной питьевой водой, очищенной в процессе солнечной дистилляции .
Существует множество различных методов очистки воды, все с одним и тем же предполагаемым результатом: получить воду, безопасную для питья человеком, называемую питьевой. Некоторые из наиболее распространенных методов очистки воды — кипячение, добавление химикатов (йода или хлора), обратный осмос и фильтрация . Все эти методы эффективны, но могут потребовать ресурсов, которые недоступны в некоторых местах. Например, хотя может быть очень сложно получить химикаты или поддерживать огонь в отдаленных районах, солнечный свет часто является легкодоступным ресурсом, который можно использовать для дистилляции воды.
В настоящем документе представлено предложение по внедрению прототипа пассивной солнечной дистилляционной системы в качестве рабочего примера использования энергии солнца для обеспечения населения безопасной питьевой водой.
Содержание
Теория
Пассивная солнечная дистилляция воды считается подходящей технологией , поскольку она работает по тем же принципам, которые создают осадки, очищая воду посредством процесса испарения, конденсации и сбора. Солнечную дистилляцию можно считать формой биомимикрии из-за ее связи с циклом дождей и парниковым эффектом . Процесс солнечной дистилляции может выполняться на солоноватой, соленой воде или из таких источников, как дождь, муниципальная вода, колодец или родник. Используя обильную энергию солнца для испарения воды, растворенные металлы и минералы, такие как мышьяк, барий, кадмий, хром и свинец, отделяются от загрязненной воды [1] . Дистилляция также удаляет соли и биологические загрязнители, такие как E.Coli [2] .
Обычный солнечный дистиллятор представляет собой коробку со стеклянной крышей, называемой глазурью, установленной под углом к горизонтали для обеспечения оптимального воздействия солнца. Этот угол примерно равен широте местоположения. Дистиллятор обращен на юг, если он находится в северном полушарии, на север в южном полушарии [3] . Неочищенная вода направляется в резервуар для хранения внутри дистиллятора. Излучение солнечного света проникает через стекло и нагревает внутреннюю часть дистиллятора, заставляя воду в резервуаре испаряться. Поглощение более высокочастотного излучения нагревает воду и внутренние части солнечного дистиллятора. Глазурь улавливает инфракрасное повторное излучение, вызывая парниковый эффект, приводящий к более высоким температурам [4] . Процесс испарения отделяет загрязняющие вещества от воды и приводит к образованию тонкого конденсата на нижней стороне стеклянной крышки. Затем конденсированная дистиллированная вода стекает со стекла в желоб и перекачивается в емкость для хранения воды для бытового использования. Загрязнения и твердые частицы остаются в резервуаре и их необходимо периодически смывать.
Планы строительства
Участники программы Parras 2005 Скотт Харрис и Джеффри М. Хинтон построили солнечный опреснитель воды и представили окончательный анализ своего проекта 5 августа 2005 года. Построенный ими блок находится в лаборатории Universidad Tecnológica de Coahuila, кампус Parras. Этот проект обеспечивает прочную основу для дальнейших исследований и разработок мелкомасштабной дистилляции воды в Parras. Однако после изучения их окончательного анализа, строительной инфраструктуры и использованных материалов мы предлагаем некоторые изменения в конструкции и планируем исследовать различные строительные материалы. Изменения включают замену изоляционного материала, напольного покрытия, конструкции бассейна и конструкции сборного желоба. Цель состоит в том, чтобы улучшить существующую конструкцию, использовать более доступные и долговечные материалы и исследовать дополнительные методы повышения эффективности. Портативность не является соображением при разработке этого прототипа. Выбранные материалы и конструкция не поддаются легкой транспортировке. Глазурь хрупкая, внутренняя рама из деревянного шпона хрупкая, а металлический бассейн не закреплен. Данное устройство будет работать только на территории кампуса UTC, в последующих версиях этого проекта следует учитывать вопросы портативности.
| Функция | Текущий материал | Возможные альтернативы | Оправдание | Возможные проблемы |
|---|---|---|---|---|
| Изоляция | Пенополистирол | Волокно лечугиллы, Шерсть, Смесь глины и соломы [5] , Переработанный деним, Перлит [Подробнее] , Стекловолокно в крайнем случае. | Предпочтительнее использовать натуральный изолятор, а пенополистирол имеет тенденцию плавиться под воздействием тепла. | Воспламеняемость, водопоглощение, R-Value, стоимость, доступность, срок службы |
| Сборный желоб | ПВХ труба | металл, керамика, дерево | ПВХ плавится от тепла | Теплостойкость, Проводимость, отвод тепла из системы |
| Черное покрытие для сохранения тепла | Аэрозольная краска | Керамическая плитка, черный тканый брезент, тонированное стекло. | Единственным решением может быть аэрозольная краска, но более естественное черное покрытие было бы предпочтительнее. | Химическое выщелачивание, термостойкость, хрупкость |
| Бассейн с неочищенной водой | Оцинкованный металл, окрашенный распылением | Нержавеющая сталь, Керамика | Аэрозольная краска и силиконовый герметик могут загрязнять процесс дистилляции воды | Трудность получения высокотемпературного черного герметика. Поиск раковины подходящего размера |
| Внутренняя рама | Тонкий шпон | Более толстая древесина с более прочной конструкцией или металл | Шпон слишком тонкий, не имеет структурной поддержки | Доступность, доступность, вес, простота нанесения цвета |
Предлагаемое местоположение
Этот эксперимент с пассивным солнечным дистиллятором воды предназначен для кампуса Universidad Tecnològica de Coahuila, расположенного на улице Madero Street, Parras, Coahuila. В UTC насчитывается 205 студентов, преподавателей и сотрудников, что обеспечивает постоянный спрос на питьевую воду. Потребность в воде важна, поскольку она напрямую влияет на конструкцию дистиллятора в отношении желаемого количества воды на выходе.
Наиболее вероятным источником воды является общественный водопровод. Хотя муниципальная вода прошла некоторую очистку, она не всегда пригодна для питья. Муниципальная вода в настоящее время является самым простым способом получения воды. В будущем может быть реализована система сбора дождевой воды. В настоящее время местоположение дистиллятора на территории кампуса UTC не определено до исследования наилучшего возможного размещения. Необходима ровная и гладкая площадка с прямым доступом к воде и солнцу. Необходимо принять меры, чтобы убедиться, что он не находится в месте, где глазурь может быть легко повреждена вандализмом или случайной поломкой. Система должна быть расположена в месте, которое обеспечивает легкий доступ и обслуживание.
Оправдание
В настоящее время UTC закупает питьевую воду у SierrAzul в 5-галлонных кувшинах (19 литров) по цене приблизительно 1,40 доллара США (14,50 песо) за штуку. Потенциальные преимущества внедрения этой системы — снижение стоимости воды и самодостаточность . Предположим, что стоимость системы составляет 106,92 доллара США + 79,32 доллара США = 186,24 доллара США. Это стоимость материалов с предыдущего года, добавленная к общей стоимости второй итерации. Если UTC потребляет один 5-галлонный кувшин воды в день, система окупится примерно за 133 дня, исходя из экономии от отказа от покупки воды. Наличие этого проекта в UTC может повлиять на студентов, чтобы они продолжили получать дополнительное образование в области солнечных технологий, возможно, перенеся эти знания с собой в повседневную жизнь и в будущее.
Если мы успешно реализуем солнечный водоопреснитель в UTC, может быть увеличен потенциал для расширения и установки в других местах в Паррасе. Солнечная водоопреснитель может применяться в небольших системах для использования домовладельцами, а также в более крупных установках на предприятиях или в сельскохозяйственных районах.
Обновление проекта: неделя 5
Физический прогресс
Неделя 4: Начата разборка. Расплавленные компоненты частично удалены и осмотрены. К этим компонентам относятся пенополистирол, труба из ПВХ и пластиковое покрытие.
Рис. 1: Дистиллятор со снятой глазурью, без модификаций.
Рис. 2: Большая часть пенопласта сморщилась и затвердела из-за чрезмерного нагрева.
Рис 3: Опилки могут быть хорошим изолятором, но они очень грязные, если их не контролировать. Также были обнаружены пенополистирольные шарики и различные свободные керамические плитки. *Материалы
Рис. 4: Широко использовался силиконовый клей. *Материалы
Рис. 5: ПВХ не выдержал жары. *Материалы
Рис. 6: Расплавленный сборный желоб с клеем.
Рис. 7: Крупный план изоляции вокруг бассейна с неочищенной водой.
Рис. 8: Изоляция под раковиной также расплавилась.
Рис 9: Деревянная внутренняя рама, удерживающая раковину для воды. Изготовлена из тонкого шпона.
Рис. 10: После того, как большие куски пенопласта были разбиты и выброшены, необходимо утилизировать более мелкие куски.
Предлагаемые материалы
Изоляция
Изоляция — самый сложный материал для выбора. Доступно много вариантов, и мы еще не приняли решение, какой материал будет наиболее подходящим при сравнении стоимости, доступности и эффективности. Некоторые возможные решения:
Примечания:
- Любой горючий изолятор может потребовать дополнительных мер по предотвращению возгорания.
- Противопожарная защита подразумевает определенный тип герметизации и/или химической обработки насыпной изоляции.
- Изоляция должна иметь минимальный контакт с жидкой и испаряющейся водой или вообще не иметь его.
- Достаточно недорогим огнезащитным средством и средством от насекомых является
- 2,5 унции буры, смешанной с 2 стаканами кипятка [6]
| Материал | Оправдание | Обеспокоенность | Расчетное значение R [7] |
|---|---|---|---|
| Хлопковое волокно с джинсовой фабрики | Доступно локально | Возможны токсичные химикаты (красители и т.п.), опасность возгорания. | 3–3,8 (целлюлоза) |
| Перлит - сыпучий наполнитель [8] [9] | Обычный материал, натуральное стекло, можно купить в [Parras Farm Stores]. Устойчив к высоким температурам. | цена, доступность, возможное загрязнение воды | 2.7 |
| Вермикулит [10] | Очень похож на перлит, огнестойкий | Может содержать асбест [11] | 2.13 - 2.4 |
Может быть полезным объединить твердый изолятор с каким-либо типом насыпного изолятора [12] или напыляемого на месте [13].
Водоем
Бассейн для воды довольно маленький, окрашен черной краской и заклеен силиконовым клеем. Некоторые идеи по улучшению:
- Изготовить или купить большую раковину
- Поиск возможных альтернатив металлическому тазику
- Повторно используйте темную раковину
- Изготовить керамическую раковину
- Раковина с тонированным стеклом или темной керамической плиткой
- : Дополнительный вес приемлем для этого прототипа дистиллятора из-за стационарной конструкции. Кроме того, резервуар для воды может быть снят, если необходима транспортировка.
- Поиск возможных альтернатив металлическому тазику
- Купите вторую такую же раковину и поставьте их рядом.
- Удалить аэрозольную краску
- Найдите альтернативную нетоксичную черную краску, устойчивую к высоким температурам.
- Если металлический желоб — единственный выбор, рассмотрите другие решения для затемнения, такие как патинирование или окрашивание.
- Рассмотрите возможность использования фитильной системы для подачи неочищенной воды в дистиллятор.
Сборный желоб
Его можно заменить на изготовленный металл, керамику или другой материал с высокой температурной стойкостью. Следует учитывать проводимость выбранного материала.
Крепежи и герметики
Большую часть выходящего клея необходимо удалить и заменить более прочными крепежами, такими как кронштейны и винты. Выбранный материал, доступный в этом регионе, — это высокотемпературный силиконовый герметик RTV.
Обновление проекта: 8-я неделя
Неделя 6
- Реализована сантехническая разводка для системы забора воды, включая внешнее ведро для хранения и систему поплавковых клапанов для раковины.
- Решил, что изоляция будет из перлита. Посетил несколько местных питомников в городе и нашел питомник, в котором можно заказать перлит оптом.
- Посетил местные строительные магазины за черным высокотемпературным силиконом. В наличии нет.
- Вместо этого я приобрел два небольших тюбика красного высокотемпературного герметика в Home Depot в Торреоне.
Неделя 7
- Окончательный список материалов
- Пошел в Home Depot в Торреоне, чтобы купить материалы.
- Предлагаемый на сегодняшний день бюджет для дистиллятора составляет 100,00 долл. США.
- На сегодняшний день потрачено 35,00 долларов США.
- Заказал перлит из питомника. Два больших ведра сейчас заказаны и должны прибыть в четверг 10/13. Из-за запланированной поездки их нужно забрать в субботу 10/15.
Автоматическая система забора воды
- Реализовано в воскресенье, 9 июля 2006 г.
Рис. 1: Поплавковый клапан внутри внешнего удерживающего ковша
Рис. 2: Выпуск удерживающего ковша
Рис. 3: Сверление отверстия для забора воды в бассейне
Рис. 4: Установка поплавкового клапана водоема
Рис. 5: Проверка работы поплавкового клапана
Рис. 6: Откачка воды из раковины для открытия поплавкового клапана.
Рис. 7: Водный бассейн в действии
Обновление проекта: неделя 10
Сводка приобретенных товаров
| Описание | Описание | Кол-во | Стоимость (песо) | Общий |
|---|---|---|---|---|
| Cubeta Multiusos | Ведро на 5 галлонов | 1 | 69,00 $ | 69,00 $ |
| Кремний Рохо | Красная прокладка силиконовая | 2 | 28,50$ | 57,00 $ |
| Клапан 3/4" | Клапан 3/4" | 2 | 38,50$ | 77,00 $ |
| Союз Por Manguera | Шланговый штуцер | 3 | 25,00 $ | 75,00 $ |
| Флотатор №3 для танка | Поплавковый клапан для унитаза | 2 | $17.91 | 35,82$ |
| Мастер-краска для распыления | Мастер-краска для распыления | 1 | 19,00 $ | 19,00 $ |
| Тапа Пор Кубета | Верхняя часть ковша | 1 | 25,00 $ | 25,00 $ |
| Мангера Сад 1/2" 3м | Садовый шланг 1/2" 3м | 1 | 16,80 $ | 16,80 $ |
| 1 Hoja Triplay 9 мм | Один лист 3-слойной фанеры 9 мм | 1 | 290 долларов | 290 долларов |
| 1 Hoja Triplay 60 см x 1,80 см | Один лист 9-мм 3-слойной фанеры | 1 | 109 долларов | 109 долларов |
| Барротитос 1x2x1.46 | Разное 1"x2" | 2 | 10 долларов | 20 долларов |
| Пиджас 1/2" | Винты | 80 | $.28 | 28 долларов |
| Пижас разные | различные винты | 50 | $.35 | 17,30 $ |
| Синта Медир 3м | Рулетка 3м | 1 | 30 долларов | 30 долларов |
| Коллекция металлической воды - hecho de encargo | Металлический водосборник - изготовленный на заказ | 1 | 95$ | 95$ |
| Общий | 935,92 долл. США | |||
| Предполагаемый курс доллара США (11,8:1 песо:доллар) | $79.32 | |||
Строительство
Рубка леса с помощью Мари Ангел
Измерение внутренних размеров рамы
Крепление внутренней рамы
Более внутренняя каркасная конструкция
Добавление черного пластика, используемого для сохранения тепла
Обрезка винтов с помощью шлифовальной машины
Измерительные размеры изоляционного покрытия
Резка пластика для изоляционного покрытия
Анджела собирается рубить дрова
Крепление оригинального пластика (позже удаленного)
Готов к презентации, но не готов к использованию
Замена пластика
Полностью, без глазури
Почти готово к тестированию!
Тестирование
День 1
- Утром облачно. Позже днем возможен ливень.
- Весь дистиллятор намок, а нижняя часть пропитана водой.
- Вода не испарилась.
День 2
- Утром закончил настройку.
- Переместил дистиллятор на юг и максимально увеличил воздействие солнца. Из-за этого система больше не находится в зоне досягаемости ближайшего крана, и ведро для хранения пришлось наполнять вручную.
- Глазурь не была должным образом запечатана до 17:00.
- Вода постоянно утекала, и испарения не происходило.
- После того, как глазурь была запечатана, испарение началось немедленно.
- Около 10 мл воды было успешно дистиллировано и восстановлено.
- Значительное количество воды было потеряно, поскольку пластиковая трубка, используемая для улавливания капель воды и их сбора в коллекторе, не была полностью герметично прилегала к стеклу. Кроме того, круглая форма трубки могла позволить каплям воды проскальзывать и падать на деревянную рамку в нижней части глазури.
- Из-за других обязательств, таких как занятия и обед, показания температуры были спорадическими. Все данные о температуре пришлось выбросить, поскольку система была негерметичной и не удерживала тепло.
День 3
- Герметичное дно резервуара для воды для предотвращения протечек
- Раковина не герметична в нижних углах и продолжает протекать.
- Герметичное соединение шланга с раковиной с помощью тефлоновой ленты.
- Добавлено больше уплотнительной прокладки на резиновый шланг, используемый для подачи воды в желоб.
- Разрежьте шланг пополам, чтобы уменьшить вероятность попадания капель за пределы сборного желоба.
- Успешно увеличена вероятность попадания дистиллированной воды в желоб.
- Полностью загерметизируйте глазурь с помощью высокотемпературного силиконового герметика и клейкой ленты.
- Лучшим выбором была бы металлическая лента, но после трех безуспешных часов поисков Парраса единственным вариантом оказалась клейкая лента.
- За оставшиеся световые часы дистиллировал очень небольшое количество воды.
День 4
- Полный солнечный день с небольшой облачностью
- К концу дня было дистиллировано около 500 мл воды.
- Внешний вид дистиллированной воды: вода прозрачная и пахнет пластиком.
- Вкусовой тест: Джефф Кинзер и Эдди Дюран были испытуемыми. Общее мнение таково, что вода на вкус ужасная, как пластик с привкусом хлопка.
- Возникшие проблемы:
- Необработанная емкость для воды продолжала протекать, что приводило к расслоению и короблению древесины в передней нижней части дистиллятора.
- При снятии остекления для перемещения устройства на склад один угол стекла разбился.
Инструкции
Использовать
- Подключите шланг от источника воды к ведру. В качестве альтернативы подключите шланг напрямую к системе. Ведро предназначено исключительно для временного хранения, если источник воды необходимо отключить и использовать для других целей.
- Включите воду и следите за наполнением тазика и ведра.
- Подождите терпеливо.
- Замените емкость для чистой воды, когда она наполнится.
Обслуживание
- Периодически мойте неочищенную воду в тазике.
- Чистая глазурь
- Проверьте шланг на наличие утечек
- Накройте брезентом, если пойдет дождь.
- При необходимости замените поплавковые клапаны.
- Проверьте герметичность глазури
- Проверьте соединения шлангов на предмет утечек, при необходимости отремонтируйте.
Возможные точки отказа
- Вода собирается в нижней части системы
- Разрушение герметизации глазури, что приведет к потере эффективности и увеличит вероятность загрязнения из внешних источников.
- Утечка в шланговом соединении
- Разрушение деревянного каркаса из-за протечек воды и воздействия стихий
Будущие изменения и обновления
- Устранение несоответствия резьбы - Поплавковые клапаны используют мелкую резьбу, но шланговые соединители используют крупную резьбу. Это несоответствие приводит к ненадежности соединений и постоянной утечке. В настоящее время для устранения утечки используется несколько витков тефлоновой ленты. Лучшим решением является резьбовой адаптер или покупка шланговых соединителей с мелкой резьбой.
- Постройте систему из материала, отличного от дерева, особенно из ДСП . Металл или цемент могут лучше дерева выдерживать воздействие дождя, ветра и сильного солнечного света.
- Используйте другой метод осаждения конденсированных капель воды в желобе для сбора. Трубка не совсем эффективна - одно из возможных решений - изогнутый кусок пластика, идущий от нижнего края глазури по диагонали в желоб для сбора.
- Установите легкое подсоединение/отсоединение шланга в задней части дистиллятора . Система должна быть простой в подключении и отключении для любого человека.
- Полностью изолируйте перлитовую изоляцию от водяной камеры . В настоящее время кремниевый порошок из измельченного перлита загрязняет всю водяную испарительную камеру.
Заключение
Что удалось
- Замена внутреннего каркаса
- добавление черного пластика, повторно используемого из неисправных резервуаров для хранения воды, в качестве замены аэрозольной краске
- Система забора воды с поплавковым клапаном
- Перлитовая изоляция как замена пенополистирола
- Имея доступ к инструментам, помощи и транспорту благодаря принимающей стороне Анжелы, семье Мадеро. Без них этот проект не был бы возможен.
Что не удалось
- системы подачи воды
- ведро с поплавковым клапаном не нужно
- Однако для проведения испытаний дополнительное ведро оказалось необходимым, поскольку у нас не было достаточно длинного шланга, чтобы дотянуться от ближайшего крана до места испытаний.
- Дополнительные материалы также включают в себя сменный поплавковый клапан и дополнительные детали шланга для будущего обслуживания.
- Несоответствие резьбы на шланговых соединениях — мелкая резьба на поплавковом клапане, крупная резьба на шланговом соединителе.
- утечки в соединениях шлангов (в настоящее время используется тефлоновая лента и каплеуловитель)
- Водохранилище протекает, попытки заделать его не увенчались успехом.
- Изоляция не полностью герметична. Перлит попадает в дистилляционную камеру, а частицы кремнезема оседают в неочищенном водном бассейне.
- Глазурь очень трудно герметизировать, поскольку каркас коробки деформирован и продолжает деформироваться.
- Попытки герметизировать глазурь с помощью высокотемпературного силиконового герметика оказались частично успешными.
- Для герметизации устройства требуется больше силикона, чем мы смогли приобрести.
- Металлической ленты будет достаточно для герметизации глазури. Найти ленту в Паррасе сложно, и нам не удалось ее найти. Необходимо провести дополнительные исследования относительно безопасности использования алюминиевой ленты при возможном контакте с дистиллированной водой.
Заключительные замечания
Как функциональная единица, этот проект был успешен лишь частично. Есть много вопросов, которые еще предстоит решить относительно эффективности, простоты использования и ремонтопригодности системы дистилляции. Вода, извлеченная из дистиллятора, не была должным образом протестирована, но эта вода вряд ли будет намного безопаснее для потребления, чем исходная необработанная вода.
Как продолжение работы прошлого года, проект продвинулся вперед. Несколько компонентов, таких как система забора воды, внутренняя рама, изоляция и сборный желоб, были значительно улучшены. Добавление поплавкового клапана для автоматического ввода воды решило одну из основных проблем, с которыми мы столкнулись изначально. Дистиллятор больше не нужно наполнять вручную, и гораздо меньше вероятность того, что система высохнет и внутренние компоненты расплавятся. Внутренняя рама теперь прочнее и использует черный пластик вместо распыляемой краски для поддержания внутренней температуры. Перлитовая изоляция гораздо более устойчива к теплу, чем пенополистирол. Сборный желоб изготовлен из металла и не расплавится, как предыдущий желоб из ПВХ.
Этот проект имеет хорошие перспективы для значительного улучшения в ближайшие годы. Следующая группа, которая будет работать с солнечным дистиллятором, будет иметь двухлетний опыт, который можно будет использовать для проектирования и внедрения системы, которая однажды сможет обеспечить безопасную питьевую воду для Universidad Technológia Coahuila в Паррас-де-ла-Фуэнте.
Ссылки
Солнечная дистилляция
- Википедия:Солнечная дистилляция
- http://www.solaqua.com/solstilbas.html#cap
- https://web.archive.org/web/20061010224651/http://www.wot.utwente.nl/documents/publications/1990_ssadc/ssadc/chapter3.htm
- Солнечная дистилляция в Паррасе 2005 (недоступно онлайн)
Фон дистилляции
- https://web.archive.org/web/20120915003611/http://www.nsf.org:80/consumer/drinking_water/selecting_dwtu.asp?program=WaterTre
- https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_Effect http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_Effect
- http://hyperphysicals.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/grnhse.html#c1
Перлит
- http://www.perlite.info
- https://web.archive.org/web/20121127174713/http://www.perlite.org:80/perlite_info.htm
- Википедия:Перлит
Вермикулит
Асбест
Изоляция
