Solar water purification system with solar heating/fr
Le système de décontamination solaire de l'eau est un système de purification d'eau domestique basé sur le traitement par rayonnement solaire et la distillation de l'eau, avec l'utilisation complémentaire du chauffage solaire. Il associe deux procédés de purification : le système de désinfection solaire de l'eau (SODIS) et la distillation solaire. Le SODIS, lancé par le professeur Aftim Acra , étant uniquement idéal pour désinfecter de petites quantités d'eau à faible turbidité et microbiologiquement contaminée, un alambic chauffé par l'énergie solaire est intégré au système pour traiter le problème des eaux fortement contaminées (comme l'eau de mer, l'eau à forte turbidité et l'eau contaminée par des métaux lourds ou des micro-organismes pathogènes ).
Français Dans les cas où l'eau à faible turbidité n'est pas disponible, l'eau contaminée sera distillée en eau potable à l'aide de l'alambic chauffé au soleil pour éliminer toutes les impuretés solides non volatiles telles que les sels, les sédiments, les métaux lourds et les micro-organismes. [ 1 ] L'eau de certains puits ou ruisseaux peut être visiblement claire (turbidité inférieure à 30 [ 2 ] unités de turbidité néphélométrique ), mais elle peut ne pas être potable car l'eau peut encore contenir des micro-organismes pathogènes. Pour résoudre ce problème, l'eau contaminée serait contenue dans des bouteilles en polyéthylène téréphtalate (PET) propres et transparentes et exposées à la lumière du soleil pendant une certaine durée (selon l'intensité de la lumière du soleil) permettant au rayonnement solaire de désactiver tous les agents pathogènes d'origine hydrique [ 3 ] dans l'eau contaminée. La désinfection solaire de l'eau est un moyen efficace de désinfecter l'eau potable, car elle est recommandée par l'Organisation mondiale de la santé . [ 4 ] Le système de purification solaire de l'eau utilise uniquement l'énergie solaire et peut être construit à partir de matériaux recyclables, ce qui le rend écologiquement durable.
Principe
La distillation de l'eau est un procédé physique qui filtre les impuretés solides d'un fluide en fonction de leur volatilité . À une température et une pression données, les substances les plus volatiles (l'eau en l'occurrence) se vaporisent plus facilement que les substances les moins volatiles (impuretés solides). La vapeur d'eau est ensuite dirigée vers une zone froide qui la condense à l'état liquide, laissant derrière elle toutes les impuretés solides non volatiles telles que les sels, les sédiments, les micro-organismes pathogènes et les métaux lourds. Cependant, l'eau distillée peut ne pas être potable car elle peut encore contenir des composés organiques volatils . [ 5 ] Le taux de vaporisation est proportionnel à la pression de vapeur, à la surface du fluide et à sa température.
Le principe de SODIS repose sur le traitement de l'eau par ultraviolets . Il utilise deux composantes de la lumière solaire pour la désinfection de l'eau : les ultraviolets et les infrarouges . Les UV-A (longueur d'onde 320-400 nm) interagissent avec l'ADN, les acides nucléiques et les enzymes des cellules organiques, détruisant ainsi leurs structures moléculaires, entraînant leur mort. Français Le rayonnement UV-A réagit également avec l'oxygène dissous dans l'eau en produisant des formes hautement réactives d'oxygène (radicaux libres d'oxygène et peroxyde d'hydrogène ), qui peuvent aider le processus germicide. Le rayonnement infrarouge est une forme de rayonnement solaire à ondes longues, il peut être ressenti comme de la chaleur, car il est responsable de l'élévation de la température du fluide. Des études ont prouvé que 99,9 % [ 6 ] des micro-organismes présents dans l'eau sont éliminés si l'eau est chauffée à 50-60 °C pendant une heure. Afin de désinfecter efficacement l'eau contaminée pour la boisson, il est recommandé d'exposer l'eau contaminée à la lumière directe du soleil en utilisant des bouteilles en PET transparent pendant 6 [ 7 ] heures. Si la température de l'eau dépasse 50 °C, une heure d'exposition suffit pour obtenir de l'eau potable. Lorsque le temps est nuageux à plus de 50 %, l'eau contaminée doit être exposée pendant 2 jours consécutifs. L'efficacité du traitement peut être améliorée en augmentant la température du fluide et en exposant l'eau contaminée à des surfaces réfléchissantes supplémentaires telles que des tôles d'aluminium ou de tôle ondulée.
Conception
Le système se compose de trois éléments principaux : le capteur solaire, le système de distillation solaire et le système de désinfection solaire de l'eau. Le capteur solaire est un dispositif qui capte le rayonnement solaire et le convertit en énergie thermique pour le SODIS et le processus de distillation solaire. Le système de distillation solaire est similaire au système de distillation d'eau classique, à la différence qu'il ne vaporise pas l'eau à ébullition. Le système de désinfection solaire de l'eau utilise l'eau de faible turbidité et microbiologiquement contaminée pour la transformer en eau potable grâce au rayonnement solaire. Le processus est résumé dans la figure 1. Un système de tuyauterie isolé ou thermorésistant relie les trois systèmes. Il doit être aussi court que possible afin de minimiser les pertes de chaleur. Pour le transport de l'eau, les tuyauteries en polychlorure de vinyle (PVC) sont recommandées en raison de leur résistance chimique suffisante.
Capteur d'énergie solaire
L'idée a été initialement développée par Cansolair Inc. : convertir l'énergie solaire en énergie de chauffage domestique grâce à des canettes en aluminium. Le capteur solaire est composé de colonnes en aluminium peint en noir, d'un cadre pour les loger et d'une ventilation pour le transport de la chaleur. Avant de coller les canettes pour former une colonne, il faut démonter le haut et le bas de la canette. Exposées au soleil, les colonnes absorbent le rayonnement solaire et la chaleur est convectée dans l'air intérieur. En raison de la différence de densité de l'air, l'air chaud monte vers le haut des colonnes et l'air froid y est aspiré par le bas. Le flux d'air chaud est ensuite collecté au sommet des colonnes. Les colonnes sont peintes en noir pour améliorer l'absorption du rayonnement et leur taille peut être adaptée aux besoins. Notez que la hauteur totale de la colonne n'est pas égale à la somme des hauteurs exactes de chaque canette, car les canettes en aluminium sont conçues pour s'emboîter les unes dans les autres grâce à des rainures.
Système de distillation solaire
Un système de distillation solaire est composé d'un vaporisateur qui retient l'eau, d'un condenseur de vapeur qui collecte et condense la vapeur, et d'un collecteur d'eau qui recueille l'eau distillée. Le taux de vaporisation est proportionnel à la surface et à la température du fluide. Pour améliorer les performances de l'alambic, le vaporisateur doit être aussi grand que possible. De plus, au fond du vaporisateur, des conduits de gaz serpentins dirigent l'air chaud provenant du capteur solaire. La différence de température entre l'eau et l'air transfère la chaleur au vaporisateur, ce qui entraîne une augmentation de la température de l'eau et accélère le processus de vaporisation. D'autres méthodes, telles que l'utilisation de matériaux thermoconducteurs, la peinture noire du vaporisateur et l'utilisation de surfaces réfléchissantes pour concentrer le rayonnement, peuvent améliorer les performances du système.
Le taux d'évaporation peut être calculé comme ci-dessous : [ 8 ]
- Q=ηchunnnetl⋅S+ηstjell⋅UN⋅GHetuntOfVunpourjezuntjeoun
où
- la chaleur de vaporisation est la chaleur de vaporisation de l'eau = 2,27 MJ/L [ 9 ]
- Q est la production quotidienne d'eau distillée (litres/jour)
- ηstjellIl s'agit du rendement de l'alambic, exprimé en pourcentage de l'énergie transférée à l'eau par rapport à l'énergie solaire totale absorbée. Le rendement typique des alambics solaires à bassin unique approche les 60 [ 10 ] %.
- ηchunnnetlest l'efficacité du collecteur du canal d'écoulement, comme la fraction de l'énergie transférée à l'eau par rapport à l'énergie collectée à partir du capteur d'énergie solaire.
- G est l'irradiation solaire globale quotidienne (voir insolation solaire ) (MJ/m²). L'insolation solaire typique à la surface de la Terre est d'environ 1 000 [ 11 ] [ 12 ] watts par mètre carré pour une surface perpendiculaire aux rayons du Soleil au niveau de la mer par temps clair. En supposant 5 heures d'ensoleillement par jour, l'irradiation solaire quotidienne est d'environ 18 MJ/m².
- A est la surface immobile (perpendiculaire à la lumière du soleil).
- S est l'énergie thermique obtenue à partir du capteur solaire. Elle peut être calculée à l'aide de l'enthalpie (ΔH) :
- δH= Hf − Hje=m˙⋅Cp⋅(T2−T1)
où
- δH est le changement d'enthalpie.
- H final est l'enthalpie finale du système, exprimée en MJ.
- H initial est l'enthalpie initiale du système, exprimée en MJ.
- m˙est le débit massique sortant du flux d'air (kg/s).
- C p est la chaleur spécifique de l'air (MJ/kg/K).
- T 2 est la température de sortie du flux du capteur d'énergie solaire en échelle Kelvin .
- T 1 est la température d'entrée du flux du capteur d'énergie solaire en échelle Kelvin.
Un calcul simple peut être effectué comme suit :
Hypothèse:
- Heures d'ensoleillement quotidiennes = 5 heures/jour = 5 heures/jour x 3600 sec/heure = 18 000 sec/jour
- ηstjell=ηchunnnetl= 60%
- Irradiation solaire globale quotidienne (G) = 1,0 kW
- L'énergie solaire obtenue à partir du capteur solaire (S) = 1,2 kW basé sur le modèle RA 240 SOLAR MAX de Consolair.
- Q=60%⋅0.0012MW⋅18,000setc/dunet+60%⋅1m2⋅0.001MJ⋅18,000setc/dunet2.27=10.33L/dunet/m2
Système de désinfection solaire de l'eau
Pour améliorer l'efficacité d'un système de désinfection solaire de l'eau, des surfaces réfléchissantes peuvent être utilisées pour intensifier le rayonnement solaire vers l'eau contaminée. Une autre façon d'améliorer les performances du système est d'augmenter la température du fluide. Selon une étude, si la température de l'eau dépasse 50 °C, une heure d'exposition suffit pour obtenir de l'eau potable. C'est à ce moment que l'énergie solaire entre en jeu. Une partie de l'énergie thermique collectée par le capteur solaire est utilisée pour chauffer l'eau en bouteille.
Construction du système
Pour construire ce système, les matériaux et outils suivants sont nécessaires.
Matériels
- Feuille métallique conductrice thermique (comme l'aluminium, le cuivre ou le zinc) pour les corps de composants
- canettes en aluminium
- Bouteilles en PET transparent (bouteilles d'eau)
- bois d'œuvre
- Système de tuyauterie en PVC (les pièces dépendent de la taille et de la disposition du système)
- Clous ou vis (les tailles dépendent de la taille du bois)
Outils
- Mètre à ruban
- Coupe-tôle
- Scie à main
- Colle silicone
- Couteau Exacto
- Perceuse électrique ou manuelle
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Solar Energy Collector Construction
The construction of the solar energy collector starts with preparing the aluminum cans. The construction process is shown as follow:
Cut the pattern shown in the image at the bottom the can.
Twist the cut-outs in one direction to form a set of vanes. The vanes at the bottom of the can are used to induce swirls to the flow, improving the heat convection process as air flow through the columns.
Cut the top off the can.
Paint the outer surface of the can in black. Indoor paints may crack if they are exposed to heat and UV, therefore, it is recommended to use weather/UV resistant paint.
Glue all the cans into columns. Size of the column can be varied for different needs. Silicone glue is recommended since other silicone/latex or pure latex glues require a long time for the fumes to goes away.
House all the columns. The frame can have multiple inlets/outlets and can be made out of wood or metal. The dimension of the model shown in Figure 15 is based on 2 inches by 4 inches lumber and 355ml aluminum pop can. If available, a sealed transparent case can be added to the design to protect it from weather. The solar energy collector should be oriented toward south and at an angle of 22-70 degrees[13] above the horizon to accommodate the sun's path. The temperature gain is approximately 10-20[14] degrees Celsius above ambient temperature with a 240 cans system. A more detailed walk-through of the manufacturing process can be found here.
Solar distillation system construction
The solar distillation system is consisted of 4 main parts: vaporizer, condenser, water collector and channel manifold. The design shown below is for concept demonstration. It can be manufactured with metal sheet and can be resized for different needs. Thermal conductive materials such as aluminum, cooper or zinc are recommended for manufacture to maximize the thermal conductivity of the system.
Le vaporisateur sert à contenir et à vaporiser l'eau contaminée. Une fois l'eau vaporisée, les résidus doivent être éliminés avant de remplir un autre réservoir d'eau contaminée.
Le condenseur est conçu pour condenser la vapeur en eau liquide. Il est important de bien choisir la pente du toit. Si celle-ci est trop faible, l'eau de condensation risque de ne pas s'écouler jusqu'au bord du condenseur. Le condenseur est soutenu par quatre supports vissés sur deux murs opposés et doit être aussi fin que possible pour garantir un échange thermique optimal.
Le collecteur d'eau sert à recueillir l'eau de condensation qui s'égoutte du bord du condenseur. Pour cela, la rainure doit être ajustée de manière à ce qu'elle se trouve sous le bord du condenseur. Le collecteur d'eau est conçu pour reposer sur le vaporisateur et le soutenir. Pour le fixer, une saillie adaptée aux dimensions intérieures du vaporisateur est ajoutée à sa base.
Une découpe est pratiquée sur la paroi du collecteur d'eau, tangentiellement au lit de la rainure, pour permettre l'évacuation de l'eau. L'alambic doit être placé sur une surface horizontale si possible. L'eau distillée sera alors récupérée pour le processus de désinfection solaire.
Le collecteur à canaux d'écoulement est conçu pour transférer la chaleur du flux vers le vaporisateur, afin d'augmenter la température du fluide et d'accélérer le processus de vaporisation. La disposition des canaux peut varier en fonction de la vitesse d'écoulement. La conception en serpentin offre une surface d'échange plus importante qu'une conception droite. Cependant, le flux d'air alimenté par convection peut ne pas traverser le canal en serpentin en raison de pertes. Pour les faibles vitesses d'écoulement, la conception droite est recommandée.
Le système de distillation à énergie solaire est assemblé comme suit :
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Construction d'un système de désinfection solaire de l'eau
Pour améliorer l'efficacité de la désinfection solaire, une surface réfléchissante, telle qu'un miroir ou une surface métallique finement finie, peut être utilisée pour concentrer le rayonnement sur l'eau contaminée. Vous trouverez ici quelques idées de réflexion du rayonnement. Une méthode simple consiste à utiliser le corps d'une canette en aluminium. Voici la procédure :
Coupez le haut et le bas d’une canette en aluminium pour obtenir le tube cylindrique.
Coupez le tube cylindrique pour obtenir une feuille d'aluminium.
Ajustez les dimensions de la feuille en fonction de la taille de la bouteille en PET. La feuille doit être suffisamment large pour couvrir la moitié de la bouteille, comme illustré. Grâce à la forme originale de la canette, la feuille d'aluminium s'adaptera parfaitement à la bouteille en PET.
Le système de désinfection solaire peut être assemblé avec deux éléments : le porte-bouteille (figure 28) et le répartiteur de chaleur (figure 29). Le porte-bouteille peut contribuer à réfléchir le rayonnement s'il est fabriqué dans un matériau réfléchissant.
Les trous situés au bas du porte-bouteille et du répartiteur de chaleur sont conçus pour permettre au flux d'air chaud provenant du capteur d'énergie solaire de circuler, augmentant ainsi la température du fluide.
Il est recommandé que le système de désinfection solaire soit fabriqué à partir de matériaux conducteurs thermiques et peut être assemblé comme ci-dessous :
Limitations
Sources d'eau
Les sources d'eau doivent être testées pour la qualité physique et chimique de l'eau (turbidité, oxygène et couleur) et la qualité microbiologique de l'eau (micro-organismes pathogènes) avant le traitement, car SODIS ne peut modifier aucune qualité chimique de l'eau et l'alambic solaire n'est pas capable de filtrer les composés organiques volatils.
Ajout de minéraux à l'eau distillée
La distillation a la capacité d'éliminer presque tout de l'eau, à l'exception de certains composés organiques volatils qui se volatilisent plus facilement que l'eau et sont emportés avec la vapeur pour se condenser à nouveau dans l'eau distillée.
Comme tout le reste est absent, l'eau distillée ne contient pas de sels minéraux. Un niveau minimal de sels minéraux est nécessaire pour que l'eau soit propre à la consommation humaine. Il est donc conseillé d'en ajouter avant de la boire, en laissant reposer quelques instants des blocs de granit dans l'eau.
Un processus détaillé et des références précises sur les concentrations nécessaires de sels minéraux dans l’eau pour la rendre potable sont nécessaires.
Bouteilles en PET
Les bouteilles en PET sont préférables aux bouteilles en PVC (polychlorure de vinyle). Un stabilisant UV est ajouté aux bouteilles en plastique pour accroître leur stabilité ou protéger leur contenu de l'oxydation. Il est recommandé d'utiliser des bouteilles en PET plutôt qu'en PVC, car le PET contient beaucoup moins d'additifs que les bouteilles en PVC, ce qui favorise la transmission des rayons UV. Les bouteilles en plastique doivent être nettoyées avant utilisation et toute bouteille usagée ou rayée doit être remplacée. Pour distinguer les bouteilles en PET des bouteilles en PVC, l'odeur de la fumée produite par le PVC est forte, tandis que celle du PET est douce.
Bouteilles en verre
L'expérience montre que le verre de fenêtre ordinaire de 2 mm d'épaisseur ne transmet presque pas de lumière UV-A [ 15 ] en raison de sa teneur en oxyde de fer. En d'autres termes, les bouteilles en verre (à l'exception du Pyrex, du Corex, du Vycor, du Quartz) ne peuvent pas être utilisées pour SODIS.
Préoccupations sanitaires concernant les bouteilles en PET
Des rapports provenant du monde entier font état de substances cancérigènes présentes dans les bouteilles en PET et susceptibles d'en contaminer le contenu. Selon l'OMS, plusieurs instituts de recherche ont vérifié l'exactitude scientifique de ces rapports et effectué leurs propres analyses des matériaux. Des études ont été réalisées pour les substances suivantes : antimoine , adipates , phtalates , acétaldéhydes et formaldéhydes . Ces études montrent que, lorsque la méthode SODIS est correctement appliquée aux bouteilles en PET, elle ne présente aucun danger pour la santé humaine. L'eau traitée doit être conservée dans la bouteille et bue directement, ou versée dans une tasse ou un verre juste avant d'être consommée. Cela permet d'éviter toute nouvelle contamination de l'eau traitée.
Tailles des bouteilles
Les récipients utilisés pour SODIS ne doivent pas dépasser une profondeur d'eau de 10 cm. Le rayonnement UV diminue à mesure que la profondeur augmente. À une profondeur d'eau de 10 cm, le rayonnement UV-A est réduit de 50 %. [ 16 ] Il est recommandé d'utiliser une bouteille PET de 1 à 2 L pour le SODIS.
Eau de pluie
Le système SODIS ne fonctionne pas correctement lors de longues périodes de pluie. Il est donc recommandé de récupérer l'eau de pluie ces jours-là.
Références
- ↑ Notions de base sur les distillateurs solaires par Solaqua
- ↑ Manuel du système de désinfection solaire par EAWAG et SANEC, page 15
- ↑ Agents pathogènes d'origine hydrique, OMS
- ↑ Organisation mondiale de la santé
- ↑ Composés organiques volatils dans les produits de consommation et commerciaux, définition des COV
- ↑ Manuel du système de désinfection solaire par EAWAG et SANEC, page 11
- ↑ Manuel du système de désinfection solaire par EAWAG et SANEC, page I
- ↑ Distillation solaire par Practicalaction.org
- ↑ Vapeur d'eau
- ↑ Toujours en activité chez Solaqua
- ↑ Observations par satellite de l'irradiance solaire totale
- ↑ Constante solaire du Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos World Radiation Center
- ↑ Consolair Solar Inc.
- ↑ Spécification du modèle RA 240 SOLAR MAX par Consolair Solar Inc.
- ↑ Manuel du système de désinfection solaire par EAWAG et SANEC, page 16
- ↑ Sommer B. et al. (1997) : SODIS – Un procédé émergent de traitement de l’eau, J. Water SRT – Aqua 46, pp. 127-137.
Toutes les figures, images et dessins présentés ci-dessus sont des œuvres originales de Jianlang Mai . Pour toute question ou commentaire concernant ce projet,veuillez cliquer ici .