工程师开发新系统以提供低成本饮用水

在中央公用设施大楼的屋顶上，位于其中一个冷却塔的前面，是（从左到右）：塞思·金德曼（Seth Kinderman），中央公用事业厂工程经理；机械工程副教授Kripa Varanasi；应届博士毕业生Karim Khalil和Maher Damak；以及中央公用事业厂的设备工程师Patrick Karalekas。图像：梅兰妮·戈尼克（Melanie Gonick）/麻省理工学院

技术可以捕获冷却塔中蒸发的水；原型将安装在麻省理工学院的中央公用事业厂。

麻省理工学院的工程师设计的新系统可以为全世界干渴的城市提供低成本的饮用水，同时还可以降低发电厂的运营成本。

在美国，从河流，湖泊和水库中抽取的所有淡水中，大约有39％专用于满足使用化石燃料或核能的电厂的冷却需求，而其中的大部分最终以蒸气云的形式飘散掉了。 。但是，新的MIT系统可以潜在地节省大量的水资源损失，甚至可以成为沿海城市的重要清洁和安全饮用水来源，在沿海城市中，海水被用来冷却当地的发电厂。

新概念背后的原理看似简单：当富含雾气的空气被一束带电粒子（称为离子）击穿时，水滴就会带电，因此可以被拉向电线网，就像窗户的窗户一样，被放置在它们的路径上。然后，水滴会收集在该网格上，然后排入收集盘，然后可以在发电厂中重复使用，也可以发送到城市的供水系统中。

该系统是上个月赢得麻省理工学院（MIT）10万美元创业大赛的一家名为Infinite Cooling的初创公司的基础，今天在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表的一篇论文中对此系统进行了描述，该论文由Maher Damak PhD '18兼副教授机械工程Kripa Varanasi。Damak和Varanasi是这家初创公司的联合创始人。

瓦拉纳西的愿景是通过捕获自然雾和工业冷却塔羽流中的水滴来开发高效的水回收系统。该项目开始于达马克博士论文的一部分，该博士论文旨在提高除雾系统的效率，该系统在许多缺水的沿海地区用作饮用水源。这些系统通常由某种形式的塑料或金属网组成，它们垂直悬挂在定期从海上滚入的雾堤的路径中，效率极低，只能捕获通过它们的水滴的约1-3％。Varanasi和Damak想知道是否有一种方法可以使网格捕获更多的液滴-并找到了一种非常简单有效的方法。

小组的详细实验室实验清楚表明了现有系统效率低下的原因：问题出在系统的空气动力学上。当气流通过障碍物（例如这些网状防雾网中的金属丝）时，气流自然地绕过障碍物偏离，就像飞机机翼周围流动的空气分成在机翼结构上方和下方通过的气流一样。这些偏离的气流携带的液滴会朝电线的侧面移动，除非它们朝电线的中心撞击。

结果是捕获的液滴比例远低于导线占据的收集区域比例，因为液滴从位于其前面的导线中扫除掉。仅使导线更大或使网孔中的空间变小往往会适得其反，因为这会阻碍整体气流，从而导致收集量净减少。

该小组的实验室设置用于测试动力装置冷凝器系统。将滤网放置在右侧漏斗上方，以收集凝结在滤网上的水。由研究人员礼貌

但是，当进入的雾首先被离子束击穿时，会发生相反的效果。不仅金属丝路径中的所有液滴都落在其上，甚至瞄准网孔的液滴也被拉向金属丝。因此，该系统可以捕获很大一部分通过的液滴。这样，它可以大大提高除雾系统的效率，并且成本低得惊人。设备简单，所需的电量极少。

接下来，该团队致力于从发电厂冷却塔的羽流中收集水。在那里，水蒸气流比任何自然产生的雾都浓得多，这使系统效率更高。并且由于捕获的蒸发水本身就是蒸馏过程，因此即使冷却水是咸的或被污染的，捕获的水也是纯净的。此时，瓦拉纳西实验室的另一位研究生Karim Khalil加入了研究小组。

瓦拉纳西说：“这是更高质量的蒸馏水，现在已经浪费掉了。”“这就是我们试图捕获的东西。”水可以通过管道输送到城市的饮用水系统，也可以用于需要纯净水的过程中，例如在电厂的锅炉中使用，而不是用于水质不太重要的冷却系统中。

瓦拉纳西说，一个典型的600兆瓦发电厂每年可捕获1.5亿加仑的水，价值数百万美元。这约占冷却塔损失的水的20％到30％。他说，通过进一步的改进，该系统可能能够捕获更多的输出。

而且，由于发电厂已经在许多干旱的海岸线上就位，并且许多发电厂都被海水冷却，因此这提供了一种非常简单的方法来提供水脱盐服务，而建造一个独立的脱盐厂的成本却很小。Damak和Varanasi估计，这种转换的安装成本约为建造新海水淡化厂的三分之一，其运营成本约为1/50。瓦拉纳西说，安装这种系统的投资回收期约为两年，而且基本上没有环境足迹，也没有增加原始工厂的环境足迹。

瓦拉纳西说：“这可能是解决全球水危机的绝佳解决方案。”“在未来十年中，这可以抵消对约70％的新海水淡化厂装置的需求。”

在一系列戏剧性的概念验证实验中，Damak，Khalil和Varanasi通过构建一个小型的实验室版本的烟囱烟囱来演示了这一概念，该烟囱会散发出水滴的羽状烟囱，类似于在实际的电厂冷却塔上看到的那样，并将其放置他们的离子束和网筛就可以了。在该实验的视频中，看到浓雾状的雾滴从设备上冒出，并且在系统启动后几乎立即消失。

该小组目前正在构建其系统的全面测试版本，并将其放置在麻省理工学院的中央公用事业工厂的冷却塔上，该工厂是天然气热电联产电厂，提供校园大部分的电力，供暖和制冷。该设置预计将在夏季末到位，并将在秋季进行测试。Damak说，测试将包括尝试对网格及其支撑结构的不同变化。

这应该提供所需的证据，以使倾向于在技术选择方面比较保守的电厂运营商采用该系统。由于发电厂的使用寿命长达数十年，因此其运营商往往“非常规避风险”，并想知道“这是否在其他地方进行过？”瓦拉纳西说。他说，校园发电厂的测试不仅将“降低技术”的风险，还将帮助MIT校园改善其水足迹。“这可能会对校园用水产生很大影响。”

出版物：Maher Damak和Kripa K. Varanasi，“使用空间电荷注入的静电驱动雾收集”，《科学进展》，2018年6月8日：卷4，没有6，eaao5323； DOI：10.1126 / sciadv.aao5323