Solar water purification system with solar heating/it
| Tipo | Ancora solare |
|---|---|
| Autori | Jianlang Mai |
| Posizione | Kingston , Canada |
| Stato | Progettato |
| Anni | |
| Usi | purificazione dell'acqua |
Il sistema di decontaminazione solare dell'acqua è un sistema di purificazione dell'acqua a livello domestico basato sul trattamento con radiazione solare e sulla distillazione dell'acqua con l'ulteriore utilizzo del riscaldamento solare. È una combinazione di due processi di purificazione dell'acqua, il sistema di disinfezione solare dell'acqua (SODIS) e il processo di distillazione solare. Poiché il SODIS, ideato dal professor Aftim Acra , è ideale solo per disinfettare piccole quantità di acqua a bassa torbidità e microbiologicamente contaminata, al sistema viene aggiunto un distillatore a riscaldamento solare per affrontare il problema delle acque fortemente contaminate (come l'acqua di mare, l'acqua ad alta torbidità e l'acqua contaminata da metalli pesanti o microrganismi patogeni ).
Nei casi in cui non sia disponibile acqua a bassa torbidità, l'acqua contaminata verrà distillata in acqua potabile utilizzando l'alambicco riscaldato dal sole per rimuovere eventuali impurità solide non volatili come sali, sedimenti, metalli pesanti e microrganismi. [ 1 ] L'acqua di alcuni pozzi o rigagnoli può essere visibilmente limpida (torbidità inferiore a 30 [ 2 ] Unità di torbidità nefelometrica ), ma potrebbe non essere potabile poiché l'acqua potrebbe ancora contenere microrganismi patogeni. Per risolvere questo problema, l'acqua contaminata verrebbe contenuta in bottiglie di polietilene tereftalato (PET) pulite e trasparenti ed esposta alla luce solare per un certo periodo di tempo (a seconda dell'intensità della luce solare) consentendo alla radiazione solare di disattivare eventuali agenti patogeni presenti nell'acqua [ 3 ] nell'acqua contaminata. La disinfezione solare dell'acqua è un modo efficace per disinfettare l'acqua potabile come raccomandato dall'Organizzazione Mondiale della Sanità . [ 4 ] Il sistema di purificazione dell'acqua solare utilizza solo energia solare e può essere costruito utilizzando materiali riciclabili, quindi il sistema è ecologicamente sostenibile.
Principio
La distillazione dell'acqua è un processo fisico che filtra le impurità solide da un fluido in base alla differenza di volatilità . A una data temperatura e pressione, le sostanze con maggiore volatilità (l'acqua in questo caso) vaporizzano più facilmente rispetto alle sostanze (impurità solide) con minore volatilità. Il vapore acqueo viene quindi convogliato verso una regione fredda che lo condensa riportandolo allo stato liquido, lasciando indietro tutte le impurità solide non volatili come sali, sedimenti, microrganismi patogeni e metalli pesanti. Tuttavia, l'acqua distillata potrebbe non essere potabile poiché potrebbe contenere ancora alcuni composti organici volatili . [ 5 ] La velocità di vaporizzazione è proporzionale alla pressione di vapore, all'area superficiale del fluido e alla temperatura del fluido.
Il principio di SODIS si basa sul trattamento dell'acqua con raggi ultravioletti . Utilizza due componenti della luce solare per il processo di disinfezione dell'acqua: radiazione ultravioletta e radiazione infrarossa . La radiazione UV-A (lunghezza d'onda 320-400 nm) interagisce con il DNA, gli acidi nucleici e gli enzimi delle cellule organiche, distruggendo le strutture molecolari cellulari e portando alla morte cellulare. La radiazione UV-A reagisce anche con l'ossigeno disciolto nell'acqua producendo forme altamente reattive di ossigeno (radicali liberi dell'ossigeno e perossido di idrogeno ), che possono aiutare il processo germicida. La radiazione infrarossa è una forma di radiazione solare a onda lunga, può essere percepita come calore, poiché è responsabile dell'aumento della temperatura del fluido. Studi hanno dimostrato che il 99,9% [ 6 ] dei microrganismi nell'acqua viene eliminato se l'acqua viene riscaldata a 50-60 °C per un'ora. Per disinfettare efficacemente l'acqua contaminata per berla, si consiglia di esporre l'acqua contaminata alla luce solare diretta utilizzando bottiglie di PET trasparenti per 6 [ 7 ] ore. Se la temperatura dell'acqua supera i 50 °C, un'ora di esposizione è sufficiente per ottenere acqua potabile sicura. Quando il tempo è nuvoloso per più del 50%, l'acqua contaminata deve essere esposta per 2 giorni consecutivi. L'efficienza del trattamento può essere migliorata aumentando la temperatura del fluido ed esponendo l'acqua contaminata a superfici riflettenti aggiuntive come alluminio o lamiere ondulate.
Progettazione
Il sistema è costituito da tre componenti principali: il collettore di energia solare, il sistema di distillazione solare e il sistema di disinfezione solare dell'acqua. Il collettore di energia solare è un dispositivo che raccoglie la radiazione solare e la converte in energia termica per il SODIS e il processo di distillazione solare. Il sistema di distillazione solare è simile al sistema di distillazione dell'acqua convenzionale, tranne per il fatto che non vaporizza l'acqua alla temperatura di ebollizione. Il sistema di disinfezione solare dell'acqua preleva acqua a bassa torbidità e microbiologicamente contaminata e la disinfetta trasformandola in acqua potabile utilizzando la radiazione solare. Il processo può essere riassunto nella Figura 1. Per collegare tutti e tre i sistemi viene utilizzato un sistema di tubazioni isolato o termoresistenti, che deve essere il più corto possibile per ridurre al minimo le perdite di calore. Per il trasporto dell'acqua, si raccomandano tubazioni in polivinilcloruro (PVC) per la sua sufficiente resistenza chimica.
Collettore di energia solare
L'idea è stata inizialmente sviluppata da Cansolair Inc. , che converte l'energia solare in energia per il riscaldamento domestico utilizzando lattine di alluminio. Il collettore solare è composto da colonne di lattine di alluminio verniciate di nero, un telaio per alloggiare le colonne e un sistema di ventilazione per il trasporto del calore. Prima che tutte le lattine siano incollate insieme per formare una colonna di raccolta, è necessario rimuovere la parte superiore e inferiore delle lattine di alluminio. Quando esposte alla luce solare, le colonne assorbono la radiazione solare e il calore viene trasmesso per convezione all'aria al loro interno. A causa della differenza di densità dell'aria, l'aria calda sale verso la parte superiore delle colonne e l'aria fredda viene aspirata dal basso. Il flusso d'aria calda viene quindi raccolto nella parte superiore delle colonne. Le colonne sono verniciate di nero per migliorare l'assorbimento delle radiazioni e le dimensioni delle colonne possono essere variate in base alle diverse esigenze. Si noti che l'altezza totale della colonna non è uguale alla somma delle altezze esatte di ciascuna lattina, poiché le lattine di alluminio sono progettate per essere sovrapposte tramite scanalature.
Sistema di distillazione solare
Il sistema di distillazione solare è composto da un vaporizzatore che contiene l'acqua, un condensatore di vapore che raccoglie e condensa il vapore e un collettore d'acqua che raccoglie l'acqua distillata. La velocità di vaporizzazione è proporzionale alla superficie del fluido e alla sua temperatura. Per migliorare le prestazioni dell'alambicco, il vaporizzatore dovrebbe essere il più grande possibile. Inoltre, sul fondo del vaporizzatore sono presenti alcuni canali a serpentina per il gas in cui viene convogliato il flusso d'aria calda proveniente dal collettore solare. A causa della differenza di temperatura tra l'acqua e il flusso d'aria, il calore viene trasferito al vaporizzatore, causando un aumento della temperatura dell'acqua e accelerando così il processo di vaporizzazione. Altri metodi, come l'utilizzo di materiali termoconduttivi, la verniciatura nera del vaporizzatore e l'utilizzo di superfici riflettenti per concentrare la radiazione, possono essere utilizzati per migliorare le prestazioni del sistema.
Il tasso di evaporazione può essere calcolato come segue: [ 8 ]
- Q=ηCHUNNNel⋅S+ηSTioll⋅UN⋅GHeUNTOFVUNPoRiozUNTiooN
Dove
- il calore di vaporizzazione è il calore di vaporizzazione dell'acqua = 2,27 MJ/L [ 9 ]
- Q è la produzione giornaliera di acqua distillata (litri/giorno)
- ηSTiollè l'efficienza dell'alambicco, come frazione dell'energia trasferita all'acqua rispetto all'energia solare totale assorbita. L'efficienza tipica per gli alambicchi solari a vasca singola si avvicina al 60 [ 10 ] percento.
- ηCHUNNNelè l'efficienza del collettore del canale di flusso, come frazione dell'energia trasferita all'acqua rispetto all'energia raccolta dal collettore di energia solare.
- G è l'irradiazione solare globale giornaliera (vedi insolazione solare ) (MJ/m^2). L'insolazione solare tipica sulla superficie terrestre è di circa 1.000 [ 11 ] [ 12 ] watt per metro quadrato per una superficie perpendicolare ai raggi del Sole al livello del mare in una giornata limpida. Sulla base dell'ipotesi di 5 ore di luce solare al giorno, l'irradiazione solare giornaliera è di circa 18 MJ/m^2.
- A è l'area della superficie immobile (perpendicolare alla luce solare).
- S è l'energia termica ottenuta dal collettore solare. Può essere calcolata utilizzando l'entalpia (ΔH) :
- δH= HF − Hio=M˙⋅CP⋅(T2−T1)
Dove
- δH è la variazione di entalpia.
- H finale è l'entalpia finale del sistema, espressa in MJ.
- H iniziale è l'entalpia iniziale del sistema, espressa in MJ.
- M˙è la portata di massa del flusso d'aria (kg/s).
- C p è il calore specifico dell'aria (MJ/kg/K).
- T 2 è la temperatura di uscita del flusso del collettore solare in scala Kelvin .
- T 1 è la temperatura di ingresso del flusso del collettore solare in scala Kelvin.
Un calcolo semplice può essere fatto come segue:
Assunzione:
- Ore di luce solare giornaliere = 5 ore/giorno = 5 ore/giorno x 3600 sec/ora = 18.000 sec/giorno
- ηSTioll=ηCHUNNNel= 60%
- Irradiazione solare globale giornaliera (G) = 1,0 kW
- L'energia solare ottenuta dal collettore solare (S) = 1,2 kW in base al modello RA 240 SOLAR MAX di Consolair.In
- Q=60%⋅0.0012MO⋅18,000SeC/DUNe+60%⋅1M2⋅0.001MJ⋅18,000SeC/DUNe2.27=10.33L/DUNe/M2
Sistema di disinfezione solare dell'acqua
Per migliorare l'efficienza del sistema di disinfezione solare dell'acqua, è possibile utilizzare superfici riflettenti per intensificare la radiazione solare verso l'acqua contaminata. Un altro modo per migliorare le prestazioni del sistema è aumentare la temperatura del fluido. Secondo uno studio, se la temperatura dell'acqua supera i 50 °C, un'ora di esposizione è sufficiente per ottenere acqua potabile sicura. È in questo momento che entra in gioco l'energia solare. Una parte dell'energia termica raccolta dal collettore solare viene utilizzata per riscaldare l'acqua in bottiglia.
Costruzione del sistema
Per realizzare questo sistema sono necessari i seguenti materiali e strumenti.
Materiali
- Lamiera metallica termoconduttiva (come alluminio, rame o zinco) per corpi di componenti
- lattine di alluminio
- Bottiglie in PET trasparenti (bottiglie d'acqua)
- legname
- Sistema di tubazioni in PVC (i componenti dipendono dalle dimensioni e dalla disposizione del sistema)
- Chiodi o viti (le dimensioni dipendono dalla dimensione del legname)
Utensili
- Nastro di misurazione
- Taglierina per lamiera
- Sega a mano
- colla siliconica
- Taglierino Exacto
- Trapano elettrico o manuale
Altri strumenti, materiali e componenti in lamiera: https://www.tradeindia.com/Seller/Automobile/Sheet-Metal-Parts-Components/
Costruzione di collettori di energia solare
La costruzione del collettore solare inizia con la preparazione delle lattine di alluminio. Il processo di costruzione è illustrato di seguito:
Ritagliare il modello mostrato nell'immagine nella parte inferiore della lattina.
Ruotare i ritagli in una direzione per formare una serie di palette. Le palette sul fondo della lattina vengono utilizzate per indurre vortici nel flusso, migliorando il processo di convezione del calore mentre l'aria scorre attraverso le colonne.
Tagliare la parte superiore della lattina.
Dipingi la superficie esterna della bomboletta di nero. Le vernici per interni possono screpolarsi se esposte al calore e ai raggi UV, pertanto si consiglia di utilizzare vernici resistenti alle intemperie e ai raggi UV.
Incollare tutte le lattine in colonne. Le dimensioni delle colonne possono variare in base alle esigenze. Si consiglia l'uso di colla siliconica, poiché altre colle siliconiche/lattice o a base di lattice puro richiedono tempi lunghi per la dissipazione dei vapori.
Ospitare tutte le colonne. Il telaio può avere più ingressi/uscite e può essere realizzato in legno o metallo. Le dimensioni del modello mostrato in Figura 15 si basano su legname da 2 pollici per 4 pollici e una lattina di alluminio da 355 ml. Se disponibile, è possibile aggiungere al progetto una custodia trasparente sigillata per proteggerlo dalle intemperie. Il collettore di energia solare deve essere orientato verso sud e con un angolo di 22-70 gradi [ 13 ] sopra l'orizzonte per adattarsi al percorso del sole. L'aumento di temperatura è di circa 10-20 [ 14 ] gradi Celsius sopra la temperatura ambiente con un sistema da 240 lattine. Una guida più dettagliata del processo di produzione è disponibile qui .
Costruzione di un sistema di distillazione solare
Il sistema di distillazione solare è composto da 4 parti principali: vaporizzatore, condensatore, collettore d'acqua e collettore a canale. Il progetto mostrato di seguito è a scopo dimostrativo. Può essere realizzato in lamiera e può essere ridimensionato per diverse esigenze. Per la produzione si raccomanda l'uso di materiali termoconduttivi come alluminio, rame o zinco, per massimizzare la conduttività termica del sistema.
Il vaporizzatore viene utilizzato per contenere e vaporizzare l'acqua contaminata. Dopo che tutta l'acqua è stata vaporizzata, i residui nel vaporizzatore devono essere rimossi prima di riempire un altro serbatoio di acqua contaminata.
Il condensatore è progettato per condensare il vapore acqueo in acqua liquida. È necessario prestare attenzione alla progettazione della pendenza del tetto. Se la pendenza del tetto è troppo ridotta, la condensa potrebbe non riuscire a scorrere fino al bordo del condensatore. Il condensatore è sostenuto da 4 supporti avvitati su due pareti opposte e deve essere il più sottile possibile per garantire una sufficiente capacità di scambio termico.
Il collettore d'acqua viene utilizzato per raccogliere l'acqua di condensa che gocciola dal bordo del condensatore. A tale scopo, la dimensione della scanalatura deve essere regolata in modo che la sua posizione si trovi sotto il bordo del condensatore. Il collettore d'acqua è progettato per essere appoggiato sul vaporizzatore e per fornire supporto al condensatore. Per fissare il collettore d'acqua, sul fondo del collettore viene aggiunta una sporgenza adatta alle dimensioni interne del vaporizzatore.
Per il drenaggio dell'acqua, viene praticato un foro sulla parete del collettore d'acqua, tangente al letto scanalato. Se possibile, l'alambicco dovrebbe essere posizionato su una superficie orizzontale. L'acqua distillata verrebbe quindi raccolta per il processo di disinfezione solare.
Il collettore del canale di flusso è progettato per trasferire il calore dal flusso al vaporizzatore, aumentando la temperatura del fluido e accelerando così il processo di vaporizzazione. La disposizione del canale può variare in base alla velocità del flusso. Il design a serpentina può fornire un'area di scambio maggiore rispetto al design rettilineo. Tuttavia, il flusso d'aria alimentato dalla convezione termica potrebbe non essere in grado di fluire attraverso il canale a serpentina a causa di perdite. Per basse velocità del flusso, si consiglia il design rettilineo.
Il sistema di distillazione ad energia solare è assemblato come segue:
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Costruzione di un sistema di disinfezione solare dell'acqua
Per migliorare l'efficacia della disinfezione solare, è possibile utilizzare superfici riflettenti come specchi o superfici metalliche con finitura fine per concentrare le radiazioni sull'acqua contaminata. Alcune idee per la riflessione delle radiazioni sono disponibili qui . Uno dei modi più semplici per riflettere le radiazioni è utilizzare il corpo di una lattina di alluminio. I passaggi sono i seguenti:
Tagliare la parte superiore e inferiore di una lattina di alluminio per ottenere il tubo cilindrico.
Tagliare il tubo cilindrico per ottenere un foglio di alluminio.
Ridimensionare la dimensione del foglio in base alle dimensioni della bottiglia in PET. Il foglio dovrebbe essere sufficientemente largo da coprire solo metà della bottiglia, come mostrato. Grazie alla forma originale della lattina, il foglio di alluminio si adatterebbe perfettamente alla bottiglia in PET.
Il sistema di disinfezione solare può essere assemblato con due componenti: il porta-bombola (Figura 28) e il distributore di calore (Figura 29). Il porta-bombola può contribuire a riflettere la radiazione se realizzato in materiale riflettente.
I fori nella parte inferiore del porta-bottiglia e del distributore di calore sono progettati per consentire il passaggio del flusso di aria calda proveniente dal collettore solare, aumentando la temperatura del fluido.
Si consiglia di realizzare il sistema di disinfezione solare con materiali termoconduttivi e di assemblarlo come segue:
Limitazioni
Fonti d'acqua
Le fonti d'acqua devono essere testate per la qualità fisica e chimica dell'acqua (torbidità, ossigeno e colore) e la qualità microbiologica dell'acqua (microrganismi patogeni) prima del trattamento, poiché SODIS non può modificare alcuna qualità chimica dell'acqua e l'impianto solare non è ancora in grado di filtrare i composti organici volatili.
Aggiunta di minerali all'acqua distillata
La distillazione ha la capacità di rimuovere quasi tutto dall'acqua, eccetto alcuni composti organici volatili che si volatilizzano più facilmente dell'acqua e vengono trasportati via dal vapore per condensarsi nuovamente nell'acqua distillata.
Poiché tutto il resto viene escluso, i sali minerali sono assenti nell'acqua distillata. Un livello minimo di sali minerali è necessario affinché l'acqua sia adatta al consumo umano. Pertanto, è necessario aggiungere sali minerali all'acqua distillata prima di berla, il che può essere fatto lasciando riposare blocchi di granito nell'acqua per un breve periodo.
Sono necessari procedimenti dettagliati e riferimenti sulle concentrazioni di sali minerali necessarie nell'acqua per renderla potabile.
bottiglie in PET
Le bottiglie in PET dovrebbero essere utilizzate al posto delle bottiglie in polivinilcloruro (PVC). Lo stabilizzatore UV viene aggiunto alle bottiglie di plastica per aumentarne la stabilità o per proteggere il contenuto dall'ossidazione. Si raccomanda l'uso di bottiglie in PET anziché in PVC, poiché il PET contiene molti meno additivi rispetto alle bottiglie in PVC, che consentono una maggiore trasmissione di radiazioni UV. Le bottiglie di plastica devono essere pulite prima dell'uso e quelle vecchie o graffiate devono essere sostituite. Per distinguere le bottiglie in PET da quelle in PVC, se il PVC è bruciato, l'odore del fumo è pungente, mentre l'odore del PET è dolciastro.
Bottiglie di vetro
L'esperimento dimostra che il normale vetro per finestre di 2 mm di spessore non trasmette quasi nessuna luce UV-A [ 15 ] a causa del suo contenuto di ossido di ferro. In altre parole, le bottiglie di vetro (eccetto Pyrex, Corex, Vycor, Quartz) non possono essere utilizzate per SODIS.
Preoccupazioni per la salute relative alle bottiglie in PET
Segnalazioni provenienti da tutto il mondo riguardanti sostanze cancerogene presenti nelle bottiglie in PET potrebbero contaminarne il contenuto. Secondo l'OMS, diversi istituti di ricerca hanno testato l'accuratezza scientifica di queste segnalazioni e hanno effettuato analisi proprie sui materiali. Sono stati condotti studi sulle seguenti sostanze: antimonio , adipati , ftalati , acetaldeidi e formaldeidi . Questi studi dimostrano che, se applicato correttamente, il metodo SODIS non comporta alcun pericolo per la salute umana. L'acqua trattata deve essere conservata nella bottiglia e bevuta direttamente dalla bottiglia, oppure versata in una tazza o in un bicchiere immediatamente prima di essere bevuta. In questo modo, si elimina la possibilità che l'acqua trattata venga nuovamente contaminata.
Dimensioni delle bottiglie
I contenitori utilizzati per SODIS non devono superare una profondità dell'acqua di 10 cm. La radiazione UV si riduce all'aumentare della profondità dell'acqua. A una profondità dell'acqua di 10 cm, la radiazione UV-A si riduce al 50%. [ 16 ] Si consiglia di utilizzare bottiglie in PET da 1-2 litri per SODIS.
Acqua piovana
Il SODIS non funziona in modo soddisfacente durante i periodi di pioggia prolungati. In questi giorni, si consiglia di raccogliere l'acqua piovana.
Riferimenti
- ↑ Nozioni fondamentali sull'alambicco solare di Solaqua
- ↑ Manuale del sistema di disinfezione solare di EAWAG e SANEC, pagina 15
- ↑ Patogeni trasmessi dall'acqua, OMS
- ↑ Organizzazione Mondiale della Sanità
- ↑ Composti organici volatili nei prodotti di consumo e commerciali, definizione di COV
- ↑ Manuale del sistema di disinfezione solare di EAWAG e SANEC, pagina 11
- ↑ Manuale del sistema di disinfezione solare di EAWAG e SANEC, pagina I
- ↑ Distillazione solare di Practicalaction.org
- ↑ Vapore acqueo
- ↑ Operazione ancora in corso da Solaqua
- ↑ Osservazioni satellitari dell'irradianza solare totale
- ↑ Costante solare del Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos World Radiation Center
- ↑ Consolair Solar Inc.
- ↑ Specifiche del modello RA 240 SOLAR MAX di Consolair Solar Inc.
- ↑ Manuale del sistema di disinfezione solare di EAWAG e SANEC, pagina 16
- ↑ Sommer B. et al. (1997): SODIS – Un processo emergente di trattamento delle acque, J. Water SRT – Aqua 46, pp. 127-137.
Tutte le figure, le immagini e i disegni presentati sopra sono opere originali di Jianlang Mai . Clicca qui per qualsiasi dubbio o commento su questo progetto.
| Autori | Jianlang Mai |
|---|---|
| Licenza | CC-BY-SA-3.0 |
| Organizzazioni | Queen's University |
| Cite as | Jianlang Mai (2010–2025). "Solar water purification system with solar heating". Appropedia. Retrieved August 15, 2025. |