Pomanjkanje sladke vode je vse hujši izziv za družbeni razvoj. Poroča se, da 29 % svetovnega prebivalstva nima varne pitne vode, povpraševanje po čisti vodi pa zaradi rasti prebivalstva in okoljskih težav še vedno narašča. Čista voda, povezana s sanitarijami, je še posebej pomembna v kontekstu trenutnega izbruha koronavirusne bolezni (neokoronavirusna pljučnica). Izhlapevanje vode na sončno energijo velja za eno najbolj obetavnih tehnologij za pridobivanje čiste vode iz morske in odpadne vode z uporabo sončne svetlobe kot edinega vnosa energije. Tehnologija se v veliki meri opira na sončne absorberje, ki delujejo kot uparjalniki za pretvarjanje sončne energije v toploto za proizvodnjo pare. Za doseganje visokih stopenj izhlapevanja vode in učinkovitosti pretvorbe sončne toplote mora imeti idealen material širok razpon absorbance za učinkovito izkoriščanje velikega dela sončnega spektra, nizko toplotno prevodnost za zmanjšanje izgube toplote in tridimenzionalne (3D) porozne kanale za učinkovit transport vode. Znanstveniki so doslej razvili različne fototermalne materiale na osnovi ogljika (npr. grafen ali ogljikove nanocevke), polimerov, kovin in kovinskih oksidov ter njihovih hibridov itd.
Znanstveniki so v zadnjih letih trdo delali, da bi raziskali in naredili številne preboje, zato se poučimo iz več tematskih publikacij o napredku raziskav fototermalne proizvodnje čiste vode v zadnjih letih.
- Nature Communications: Rastlinski listi so navdih za visoko učinkovit čistilec vode na sončno energijo
Listi naravnih žilnih rastlin se za proizvodnjo ton čiste vode, ki jo poganja sončna svetloba, zanašajo na razlike v osmotskem tlaku, transpiraciji in izločanju. Navdihnjeni s tem so raziskovalci v skupini Chun Li na Univerzi Qinghua poročali o čistilniku, ki ga poganja sončna svetloba, za učinkovito čiščenje in proizvodnjo vode. Ta čistilnik, ki ga poganja sončna svetloba, ima negativno temperaturno odziven poli(N-izopropilakrilamidni) hidrogel (PN), zasidran na superhidrofilni melaminski penasti hrbtenici in na zunanji strani prevlečen s PNIPAm-modificirano grafensko (PG) filtrirno membrano. Simulacije molekularne dinamike in eksperimentalni rezultati so pokazali, da je superhidrofilna narava relativno toge melaminske hrbtenice znatno pospešila hitrost nabrekanja/odmaševanja čistilnika PNPG-F. Pri enaki intenzivnosti obsevanja s sončno svetlobo je ta racionalno zasnovana struktura zagotovila 4.2 kg/m2/h zbiranja in > 99 % odstranjevanja ionov za en sam PNPG-F iz dovoda slanice s sinergijskimi učinki izhlapevanja in kapljanja. Avtor predvideva velike potencialne aplikacije za ta visoko učinkovit sistem, ki ga poganja sončna svetloba, v različnih aplikacijah za čiščenje vode. Študija je bila objavljena kot članek z naslovom »Rastlinski listi navdihujejo čistilec vode na sončni svetlobi za visoko učinkovito proizvodnjo čiste vode« v podrevi Nature communications.
- Znanstveni napredek: visoko hidratabilne polimerne mreže hidrogelov, ki absorbirajo svetlobo, za sončno čiščenje vode
Sončno izhlapevanje vode za čiščenje vode je obetavna tehnologija za proizvodnjo sladke vode. Vendar je proizvodnja sončne pare energetsko intenzivna, kar ima za posledico nizko proizvodnjo vode pod naravno dnevno svetlobo. Zato obstaja velika potreba po razvoju novih materialov, ki lahko zmanjšajo porabo energije za izhlapevanje vode in pospešijo sončno čiščenje vode. Skupina profesorja Guihua Yuja v Austinu v Teksasu v ZDA je poročala o visoko hidriranem hidrogelu, ki absorbira svetlobo (h-LAH), sestavljenem iz polivinilnega alkohola in hitozana kot hidratacijske hrbtenice ter polipirola kot absorberja svetlobe, ki lahko porabi manj energije (< 50 % prostornine vode) za izhlapevanje vode. Dokazano je bilo, da lahko povečanje hidratacijske zmogljivosti h-LAH spremeni stanje vode in delno aktivira vodo, s čimer olajša izhlapevanje vode. h-LAH je povečal proizvodnjo sončne pare na rekordno hitrost ~3.6 kg/m2/h v 1 soncu. Izhlapevanje sončne vode na osnovi h-LAH je pokazalo tudi dolgoročno obstojnost in lastnosti proti obraščanju proti kompleksnim ionskim onesnaževalcem. Raziskava je bila objavljena v prispevku z naslovom "Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production" v znanstveni podreviji Science Advances.
- Angew: materiali COF s superhidrofilnostjo in absorpcijo svetlobe široke valovne dolžine za fototermalno izhlapevanje vode
Inherentna hidrofobnost in omejena absorpcija svetlobe poroznih organskih polimerov, zlasti v bližnjem infrardečem območju (NIR), sta dve ozki grli, ki ovirata njihovo uporabo pri pridobivanju sončne pare (SSG). Raziskovalci v skupini Xiaoli Yana na univerzi Jilin so razvili kovalentno organsko ogrodje (COF), ki temelji na 1,4,5,8 tetrakis(fenilamino)antracen-9,10-dionu (TPAD) (TPAD-COF), za katerega je značilna superhidrofilnost in široka absorpcija svetlobe, ki pokriva SSG iz celotne UV/vidne NIR regije. TPAD-COF kot učinkovit fototermični pretvorbeni material brez kakršnih koli dodatkov izkazuje odlično izhlapevanje vode 1.42 kg/m2/h in dosega visoko energijsko učinkovitost pretvorbe 94 % pri enem obsevanju sončne jakosti. Nadaljnja razširitev območja absorpcije svetlobe COF na osnovi TPAD je bila dosežena s postsintetično modifikacijo kelatiranih molekul BF2. Sistematični kontrolni poskusi in analize potrjujejo, da ima hidrofilnost materiala za fototermično pretvorbo pomembnejšo vlogo pri trenutnih COF na osnovi TPAD, ki se uporabljajo za izhlapevanje fototermalne vode. Raziskovalno delo z naslovom »Superhidrofilni 2D kovalentni organski okvirji kot širokopasovni absorberji za učinkovito pridobivanje sončne pare« je bilo objavljeno v vrhunski mednarodni reviji Angewise. Delo je bilo objavljeno v vrhunski mednarodni reviji Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: Hidrofilno-hidrofobni COF/grafenski hidrogel z dvojno regijo za izhlapevanje fototermalne vode
Sončno izhlapevanje vode je trajnostna tehnologija čiščenja vode, ki lahko pomaga ublažiti globalno pomanjkanje vode. Vendar se ta tehnologija sooča z velikimi izzivi zaradi visoke porabe energije in nizke stopnje izhlapevanja vode. Skupina prof. Arneja Thomasa na Tehnični univerzi v Berlinu v Nemčiji poroča o hidrogelu z dvojno regijo kovalentnega organskega ogrodja (COF)/grafena, ki vsebuje tako hidrofilne kot hidrofobne regije v enem materialu s preprosto strategijo rasti in situ. Hidrofilni COF pokriva del hidrofobne regije grafena. Z natančnim nadzorom dveh vlažilnih območij hibridni hidrogel kaže učinkovito zbiranje svetlobe, nastavljivo močljivost, optimizirano vsebnost vode in zmanjšano porabo energije za izhlapevanje vode. Kot sončni absorber dosega hidrogel z dvojno regijo stopnjo generiranja pare do 3.69 kg/m2/h za 1 sončno obsevanje (1kw/m2), kar je primerljivo z drugimi naprednimi materiali. Poleg tega se ta hidrogelni uparjalnik lahko uporablja za proizvodnjo pitne vode iz morske vode in odplak, kar dokazuje potencial čiščenja vode. Raziskovalno delo je bilo objavljeno v reviji JACS kot »A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation«, JACS, vrhunska mednarodna revija.
- Znanstveni napredek: fototermalni vodni izparilnik z visokim izkoristkom, ki ga navdihuje struktura rezila vodne lilije
V zadnjih letih je medfazna proizvodnja sončne pare pokazala velik potencial pri doseganju visoke učinkovitosti pretvorbe energije za razsoljevanje in čiščenje odpadne vode. Vendar visoke stopnje izhlapevanja ni mogoče vzdrževati zaradi na videz neizogibnega kopičenja umazanije ali soli na sončnem absorberju. Razgradnja se pospeši, ko se koncentracija topljenca poveča. Za reševanje tega problema je skupina prof. Jia Zhuja na Univerzi v Nanjingu, ki jo je navdihnila struktura listov lokvanjev, zasnovala večstopenjsko strukturo (naprava za fototermalno pretvorbo hlapov po hierarhični strukturi (WHS), ki jo je navdihnil lokvanje, ki lahko doseže 80-odstotno učinkovitost fototermične pretvorbe pri obdelavi 10 mas. % visoko koncentrirane slane vode in 30 mas. % odpadne vode. Vredno je. omenja, da se učinkovitost fototermične pretvorbe ne zmanjša bistveno med obdelavo visoko koncentrirane slanice in odpadne vode, dokler ni izhlapevanje končano (tj. "ničelno praznjenje"), in da je površina objavljena v Science Advance pod naslovom "Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine".
- Nano energija: molibdenov disulfid za fototermalno izparevanje vode
Raziskovalci v skupini Lifeng Wan na Inštitutu za mejne materiale Univerze Deakin so razvili vrsto heterostruktur s prehodnimi kovinskimi disulfidi in dušikom bogatimi nitridi za izhlapevanje vode s sončno energijo z delno kristalno transformacijo. Te napredne 2D heterostrukture kažejo izboljšano spektralno absorpcijo v infrardečem območju in odlično kemijsko stabilnost v različnih raztopinah, vključno z vodo, kislinami in bazami. Še pomembneje je, da zaradi izboljšane intenzivnosti spektralne absorpcije in zmanjšane toplotne izgube sončna termalna naprava MoS2-Mo5N6/ melaminska pena (MF) kaže visoko stopnjo izhlapevanja (2.31 kg m-2h-1) in učinkovitost pretvorbe (106.6 %), ki sta 1.4-krat oziroma 4.7-krat višji od sončnih naprav MoS2/MF oziroma MF/voda. To delo predstavlja vrsto naprednih 2D-2D TMD-jev in dušikom bogatih nitridov heterostruktur z odlično fototermično zmogljivostjo za proizvodnjo vode s sončno energijo. To delo je bilo objavljeno v reviji Nano energy, vodilni mednarodni reviji, z naslovom »Napredne 2D-2D heterostrukture prehodnih kovinskih dihalkogenidov in nitridov, bogatih z dušikom, za proizvodnjo sončne vode«.
Pričakuje se, da bo solarna fototermalna tehnologija izhlapevanja vode rešila globalno pomanjkanje čiste vode, zdaj pa je treba rešiti poceni pripravo fototermičnih materialov, visoko učinkovito delovanje ter stabilnost in prenosljivost uporabe v okoljih praktičnih aplikacij, v pričakovanju več rezultatov v prihodnosti v zgodnjo korist vsega človeštva!
Za več informacij o melaminski peni nas kontaktirajte na [email protected] ali nam pošljite telefonsko številko: +86-28-8411-1861.
Nekatere slike in besedila so reproducirana z interneta, avtorske pravice pa pripadajo izvirnemu avtorju. Če pride do kakršnih koli kršitev, se obrnite na nas za izbris.