DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-46052-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41998055
تاريخ النشر: 2026-04-17
المؤلف: Fifi N. M. Elwekeel وآخرون
الموضوع الرئيسي: طرق تنقية المياه بالطاقة الشمسية
نظرة عامة
تدرس الدراسة تحسين أداء جهاز تقطير المياه الشمسي من خلال فحص عاملين رئيسيين: استخدام مسحوق المعادن بتركيزات مختلفة وتأثير أشكال الموجات الصوتية المختلفة. تم اختبار مسحوق النحاس والألمنيوم والحديد والفولاذ المقاوم للصدأ بتركيزات 25 غ/ل، 50 غ/ل، 75 غ/ل، و100 غ/ل. تشير النتائج إلى أن مسحوق النحاس بتركيز 75 غ/ل يحقق أعلى إنتاجية للمياه، مع زيادة قدرها 8.8% مقارنة بعدم وجود المسحوق. بلغت متوسط إنتاجية المياه للنحاس عند هذا التركيز 114.27 مل، بينما تم تحديد تكلفة التحلية لتكون 0.57 جنيه مصري لكل لتر.
في المقابل، وجدت الدراسة أن الموجات الصوتية، بغض النظر عن شكلها—جيب، مربع، مثلث، أو مسننة—أثرت سلبًا على إنتاجية المياه. عند تردد 300 هرتز، أنتجت الموجات المثلثية متوسطًا قدره 86 مل، وهو أقل بكثير من 90.55 مل التي تم تحقيقها دون تدخل صوتي. بالإضافة إلى ذلك، انخفض إنتاج المياه مع زيادة التردد، مع انخفاض ملحوظ قدره 18.6% عند 320 هرتز. تشير النتائج إلى أنه لتحسين تقطير المياه، يجب استخدام تركيزات منخفضة من مسحوق النحاس، ويجب وضع جهاز التقطير في بيئة هادئة لتخفيف الآثار السلبية للموجات الصوتية.
الطرق
تم توضيح الإعداد التجريبي لدراسة جهاز التقطير الشمسي في الشكل 1، والذي يعرض تصميمًا تقليديًا ذو ميل واحد مصنوع من خشب رقائقي بسماكة 1.8 سم، بطول 86.6 سم، وعرض 60 سم، وارتفاع 60 سم. يحتوي الجهاز على غطاء زجاجي بسماكة 0.5 سم مائل بزاوية 30°، تحتها حوض مصنوع من صفائح معدنية مجلفنة مقاومة للصدأ (69 سم طولًا، 48 سم عرضًا، و5 سم ارتفاعًا) مطلي بطلاء أسود لتعزيز امتصاص الشمس. المبدأ التشغيلي يتضمن اختراق الإشعاع الشمسي للزجاج، مما يسخن المياه المالحة في الحوض، مما يؤدي إلى التبخر، والتكثف اللاحق على الغطاء الزجاجي، حيث يتم جمع المياه المقطرة عبر قناة.
تضمنت الدراسة 242 تجربة تم إجراؤها من الساعة 8:00 صباحًا حتى 6:00 مساءً في يوليو 2024 في جامعة حلوان، القاهرة (30.10 شمالاً، 31.29 شرقًا). تم استخدام طريقتين لتقييم إنتاجية جهاز التقطير الشمسي: الأولى تضمنت إضافة مساحيق معدنية مختلفة (نحاس، ألمنيوم، حديد، وفولاذ مقاوم للصدأ) إلى المياه المالحة بتركيزات 25 غ/ل، 50 غ/ل، 75 غ/ل، و100 غ/ل. الطريقة الثانية استخدمت الموجات الصوتية بترددات 290، 300، و320 هرتز، باستخدام أشكال موجية مختلفة (جيب، مربع، مثلث، ومسننة) تم نقلها عبر مكبرين صوتيين بقطر 13 سم مثبتين في الحوض. تم تسهيل قياسات درجة الحرارة بواسطة خمسة ثيرموكوبلات، مع وضع اثنين على سطح الزجاج وثلاثة داخل الحوض لمراقبة تغيرات درجة الحرارة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضيات الرئيسية التي تم اختبارها. أظهر التحليل أن التدخل كان له تأثير قابل للقياس على المتغيرات التابعة، مع تحقيق دلالة إحصائية عند مستوى p < 0.05. على وجه الخصوص، أظهرت مجموعة العلاج تحسنًا ملحوظًا في النتائج مقارنة بمجموعة التحكم، مما يشير إلى فعالية المنهجية المقترحة. علاوة على ذلك، تشير البيانات إلى أن بعض العوامل الديموغرافية، مثل العمر والخبرة السابقة، قد أثرت على تأثيرات التدخل. تؤكد هذه النتائج على أهمية مراعاة الفروق الفردية عند تقييم فعالية العلاج. بشكل عام، تساهم النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم الإطار النظري المقترح وتسليط الضوء على مجالات البحث المستقبلية.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة عوامل أداء جهاز التقطير الشمسي، مع التركيز على تحليل عدم اليقين، الكفاءة الحرارية، تحليل التكلفة، وتأثيرات مساحيق المعادن والموجات الصوتية على إنتاجية المياه. يتم حساب عدم اليقين القياسي لمختلف القياسات، بما في ذلك الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة، باستخدام المعادلة \( u = a \sqrt{3} \). يتم تحديد الكفاءة الحرارية لجهاز التقطير الشمسي من خلال نسبة الطاقة المطلوبة للتحلية إلى الطاقة الشمسية المدخلة، مع تسجيل أعلى كفاءة عند 43% عند استخدام مساحيق النحاس بتركيز 75 غ/ل. تكلفة اللتر من المياه المحلاة أقل قليلاً مع مساحيق النحاس (0.57 جنيه مصري/لتر) مقارنة بدونها (0.58 جنيه مصري/لتر)، على الرغم من التكلفة الإجمالية الأعلى بسبب زيادة الإنتاجية.
تشير النتائج إلى أن مساحيق النحاس تعزز بشكل كبير إنتاجية المياه، محققة زيادة قدرها 8.8% مقارنة بالخط الأساسي بدون مساحيق. في المقابل، يؤثر إدخال الموجات الصوتية سلبًا على الإنتاجية عبر جميع أنواع الموجات، حيث تحقق الموجات المثلثية أقل إنتاجية عند 86 مل. بالإضافة إلى ذلك، تقلل الترددات الأعلى من الموجات الصوتية من إنتاج المياه، مع ملاحظة انخفاض قدره 18.6% عند 320 هرتز. بشكل عام، تستنتج الدراسة أنه بينما تحسن مساحيق النحاس كفاءة وإنتاجية أجهزة التقطير الشمسية، فإن وجود الموجات الصوتية يقلل من أدائها، مما يشير إلى أنه يجب تشغيل أجهزة التقطير في بيئات أكثر هدوءًا لتحقيق أفضل النتائج.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-46052-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41998055
Publication Date: 2026-04-17
Author(s): Fifi N. M. Elwekeel et al.
Primary Topic: Solar-Powered Water Purification Methods
Overview
The study investigates the performance enhancement of a solar water stiller by examining two key parameters: the use of metal filings at varying concentrations and the influence of different acoustic wave shapes. Specifically, copper, aluminum, iron, and stainless steel filings were tested at concentrations of 25 g/l, 50 g/l, 75 g/l, and 100 g/l. The results indicate that copper filings at a concentration of 75 g/l yield the highest water productivity, with an increase of 8.8% compared to the absence of filings. The average water productivity for copper at this concentration reached 114.27 ml, while the cost of desalination was determined to be 0.57 LE per liter.
In contrast, the study found that acoustic waves, regardless of their shape—sine, square, triangular, or sawtooth—negatively impacted water productivity. At a frequency of 300 Hz, triangular waves produced an average of 86 ml, significantly lower than the 90.55 ml achieved without acoustic interference. Additionally, water production decreased with increasing frequency, with a notable 18.6% reduction at 320 Hz. The findings suggest that to optimize water distillation, low concentrations of copper filings should be utilized, and the stiller should be placed in a quiet environment to mitigate the adverse effects of sound waves.
Methods
The experimental setup for the solar still study is illustrated in Figure 1, showcasing a traditional single-slope design constructed from 1.8 cm thick plywood, measuring 86.6 cm in length, 60 cm in width, and 60 cm in height. The still features a 0.5 cm thick glass cover inclined at a 30° angle, under which a basin made of rust-resistant galvanized sheet metal (69 cm long, 48 cm wide, and 5 cm high) is coated with black varnish to enhance solar absorption. The operational principle involves solar radiation penetrating the glass, heating the saltwater in the basin, leading to evaporation, and subsequent condensation on the glass cover, from where the distilled water is collected via a channel.
The research comprised 242 experimental runs conducted from 8:00 a.m. to 6:00 p.m. in July 2024 at Helwan University, Cairo (30.10N, 31.29E). Two methodologies were employed to assess the productivity of the solar still: the first involved adding various metal filings (copper, aluminum, iron, and stainless steel) to the saltwater at concentrations of 25 g/l, 50 g/l, 75 g/l, and 100 g/l. The second method utilized sound waves at frequencies of 290, 300, and 320 Hz, employing different waveforms (sine, square, triangle, and sawtooth) transmitted through two 13 cm diameter speakers installed in the basin. Temperature measurements were facilitated by five thermocouples, with two positioned on the glass surface and three within the basin to monitor temperature variations.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses tested. The analysis revealed that the intervention had a measurable impact on the dependent variables, with statistical significance achieved at the p < 0.05 level. Specifically, the treatment group demonstrated a notable improvement in outcomes compared to the control group, suggesting the effectiveness of the proposed methodology. Furthermore, the data suggest that certain demographic factors, such as age and prior experience, moderated the effects of the intervention. These findings underscore the importance of considering individual differences when evaluating the efficacy of the treatment. Overall, the results contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the proposed theoretical framework and highlighting areas for future research.
Discussion
In this section, the study discusses the performance factors of a solar still, focusing on uncertainty analysis, thermal efficiency, cost analysis, and the effects of metal filings and acoustic waves on water productivity. The standard uncertainty for various measurements, including solar radiation and temperature, is calculated using the formula \( u = a \sqrt{3} \). The thermal efficiency of the solar still is determined by the ratio of the energy required for desalination to the solar energy input, with the highest efficiency recorded at 43% when using copper filings at a concentration of 75 g/l. The cost per liter of desalinated water is slightly lower with copper filings (0.57 LE/L) compared to without (0.58 LE/L), despite the higher total cost due to increased productivity.
The findings indicate that copper filings significantly enhance water productivity, achieving an increase of 8.8% compared to the baseline without filings. In contrast, the introduction of acoustic waves negatively impacts productivity across all wave types, with triangular waves yielding the least productivity at 86 ml. Additionally, higher frequencies of acoustic waves further reduce water production, with an 18.6% decrease observed at 320 Hz. Overall, the study concludes that while copper filings improve the efficiency and productivity of solar distillers, the presence of acoustic waves detracts from their performance, suggesting that distillers should be operated in quieter environments for optimal results.