Η έλλειψη γλυκού νερού αποτελεί ολοένα και πιο σοβαρή πρόκληση για την κοινωνική ανάπτυξη. Αναφέρεται ότι το 29% του παγκόσμιου πληθυσμού στερείται ασφαλούς πόσιμου νερού και η ζήτηση για καθαρό νερό εξακολουθεί να αυξάνεται λόγω της πληθυσμιακής αύξησης και των περιβαλλοντικών ζητημάτων. Το καθαρό νερό που σχετίζεται με την αποχέτευση είναι ιδιαίτερα σημαντικό στο πλαίσιο της τρέχουσας επιδημίας της νόσου του κορωνοϊού (Πνευμονία από Νεοκοροναϊό). Η εξάτμιση νερού με ηλιακή ενέργεια θεωρείται μια από τις πιο υποσχόμενες τεχνολογίες για την παραγωγή καθαρού νερού από θαλασσινό νερό και λύματα χρησιμοποιώντας το ηλιακό φως ως τη μόνη εισροή ενέργειας. Η τεχνολογία βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στους ηλιακούς απορροφητές, οι οποίοι λειτουργούν ως εξατμιστές για να μετατρέψουν την ηλιακή ενέργεια σε θερμότητα για την παραγωγή ατμού. Για την επίτευξη υψηλών ρυθμών εξάτμισης νερού και απόδοσης μετατροπής ηλιακής θερμότητας, το ιδανικό υλικό θα πρέπει να έχει μεγάλο εύρος απορρόφησης για αποτελεσματική χρήση μεγάλου τμήματος του ηλιακού φάσματος, χαμηλή θερμική αγωγιμότητα για την καταστολή της απώλειας θερμότητας και τρισδιάστατα (3D) πορώδη κανάλια για αποτελεσματική μεταφορά νερού. Μέχρι στιγμής, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει διάφορα φωτοθερμικά υλικά με βάση τον άνθρακα (π.χ. γραφένιο ή νανοσωλήνες άνθρακα), πολυμερή, μέταλλα και οξείδια μετάλλων και τα υβρίδια τους κ.λπ.
Οι επιστήμονες εργάζονται σκληρά για να εξερευνήσουν και να κάνουν πολλές ανακαλύψεις τα τελευταία χρόνια, επομένως ας μάθουμε από διάφορες επίκαιρες δημοσιεύσεις σχετικά με την πρόοδο της έρευνας στην παραγωγή φωτοθερμικού καθαρού νερού τα τελευταία χρόνια.
- Nature Communications: Τα φύλλα των φυτών εμπνέουν ηλιακή ενέργεια, υψηλής απόδοσης καθαριστή νερού
Τα φύλλα των φυσικών αγγειακών φυτών βασίζονται σε διαφορές στην οσμωτική πίεση, τη διαπνοή και την απέκκριση για να παράγουν τόνους καθαρού νερού, που τροφοδοτούνται από το ηλιακό φως. Εμπνευσμένοι από αυτό, οι ερευνητές της ομάδας του Chun Li στο Πανεπιστήμιο Qinghua ανέφεραν έναν καθαριστή που λειτουργεί με ηλιακό φως για αποτελεσματικό καθαρισμό και παραγωγή νερού. Αυτός ο καθαριστής που λειτουργεί με ηλιακό φως διαθέτει μια υδρογέλη πολυ(Ν-ισοπροπυλακρυλαμιδίου) (PN) αρνητικά ευαίσθητη στη θερμοκρασία, αγκυρωμένη σε μια υπερυδρόφιλη ραχοκοκαλιά αφρού μελαμίνης και επικαλυμμένη με μεμβράνη φίλτρου τροποποιημένου με PNIPAm (PG) στο εξωτερικό. Οι προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής και τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η υπερυδρόφιλη φύση της σχετικά άκαμπτης ραχοκοκαλιάς μελαμίνης επιτάχυνε σημαντικά τον ρυθμό διόγκωσης/αποδιόγκωσης του καθαριστή PNPG-F. Υπό την ίδια ένταση ακτινοβολίας ηλιακού φωτός, αυτή η ορθολογικά σχεδιασμένη δομή παρείχε συλλογή 4.2 kg/m2/h και > 99% απομάκρυνση ιόντων για ένα μόνο PNPG-F από μια τροφοδοσία άλμης μέσω των συνεργιστικών επιδράσεων της εξάτμισης και της προσθήκης σταγόνων. Ο συγγραφέας προβλέπει μεγάλες πιθανές εφαρμογές για αυτό το εξαιρετικά αποτελεσματικό σύστημα που λειτουργεί με ηλιακό φως σε διάφορες εφαρμογές επεξεργασίας νερού. Η μελέτη δημοσιεύτηκε ως άρθρο με τίτλο «Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production» στο περιοδικό Nature subjournal Nature communications.
- Επιστημονική πρόοδος: Δίκτυα πολυμερών υψηλής ενυδάτωσης από υδρογέλες που απορροφούν το φως για ηλιακό καθαρισμό νερού
Η ηλιακή εξάτμιση νερού για τον καθαρισμό του νερού είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για την παραγωγή γλυκού νερού. Ωστόσο, η παραγωγή ηλιακών ατμών είναι ενεργοβόρα, με αποτέλεσμα τη χαμηλή παραγωγή νερού κάτω από το φυσικό φως της ημέρας. Επομένως, υπάρχει μεγάλη ανάγκη ανάπτυξης νέων υλικών που μπορούν να μειώσουν την ενεργειακή ζήτηση για εξάτμιση νερού και να επιταχύνουν τον ηλιακό καθαρισμό του νερού. Η ομάδα του καθηγητή Guihua Yu στο Όστιν του Τέξας των Η.Π.Α., ανέφερε μια υψηλής ενυδάτωσης υδρογέλης που απορροφά το φως (h-LAH) που αποτελείται από πολυβινυλική αλκοόλη και χιτοζάνη ως ραχοκοκαλιά ενυδάτωσης και πολυπυρρόλη ως απορροφητή φωτός, η οποία μπορεί να χρησιμοποιήσει λιγότερη ενέργεια (< 50% του όγκου του νερού) για την εξάτμιση του νερού. Αποδείχθηκε ότι η αύξηση της ικανότητας ενυδάτωσης του h-LAH μπορεί να αλλάξει την κατάσταση του νερού και να ενεργοποιήσει μερικώς το νερό, διευκολύνοντας έτσι την εξάτμιση του νερού. Το h-LAH αύξησε την παραγωγή ηλιακών ατμών σε ρυθμό ρεκόρ ~3.6 kg/m2/h σε 1 ήλιο. Η ηλιακή εξάτμιση νερού με βάση το h-LAH επέδειξε επίσης μακροχρόνια ανθεκτικότητα και αντιρρυπαντικές ιδιότητες έναντι πολύπλοκων ιοντικών ρύπων. Η έρευνα δημοσιεύτηκε σε μια εργασία με τίτλο «Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production» στο υποπεριοδικό Science Advances.
- Angew: Υλικά COF με υπερυδροφιλικότητα και απορρόφηση φωτός μεγάλου μήκους κύματος για φωτοθερμική εξάτμιση νερού
Η εγγενής υδροφοβία και η περιορισμένη απορρόφηση φωτός των πορωδών οργανικών πολυμερών, ειδικά στην περιοχή του εγγύς υπέρυθρου (NIR), είναι δύο σημεία συμφόρησης που εμποδίζουν την εφαρμογή τους στην παραγωγή ηλιακού ατμού (SSG). Ερευνητές στην ομάδα του Xiaoli Yan στο Πανεπιστήμιο Jilin ανέπτυξαν ένα ομοιοπολικό οργανικό πλαίσιο (COF) που βασίζεται σε 1,4,5,8 τετρακις(φαινυλαμινο)ανθρακενο-9,10-διόνη (TPAD) (TPAD-COF), το οποίο χαρακτηρίζεται από υπερυδροφιλία και ευρεία απορρόφηση φωτός που καλύπτει το SSG από ολόκληρη την περιοχή NIR. Το TPAD-COF, ως αποτελεσματικό υλικό φωτοθερμικής μετατροπής χωρίς πρόσθετα, παρουσιάζει εξαιρετική εξάτμιση νερού 1.42 kg/m2/h και επιτυγχάνει υψηλή απόδοση μετατροπής ενέργειας 94% κάτω από μία ηλιακή ακτινοβολία έντασης. Μια περαιτέρω επέκταση του εύρους απορρόφησης φωτός COF που βασίζεται σε TPAD επιτεύχθηκε με μετασυνθετική τροποποίηση χηλικών μορίων BF2. Συστηματικά πειράματα ελέγχου και ανάλυση επιβεβαιώνουν ότι η υδροφιλία του υλικού φωτοθερμικής μετατροπής παίζει πιο κυρίαρχο ρόλο στα τρέχοντα COF που βασίζονται σε TPAD που χρησιμοποιούνται για την εξάτμιση φωτοθερμικού νερού. Η ερευνητική εργασία, με τίτλο «Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation», δημοσιεύτηκε στο κορυφαίο διεθνές περιοδικό Angewise. Η εργασία δημοσιεύτηκε στο κορυφαίο διεθνές περιοδικό Angew. Chem. Int. Εκδ.
- JACS: Υδρόφιλο-υδρόφοβο διπλής περιοχής COF/υδρογέλη γραφενίου για φωτοθερμική εξάτμιση νερού
Η ηλιακή εξάτμιση νερού είναι μια βιώσιμη τεχνολογία επεξεργασίας νερού που μπορεί να βοηθήσει στην ανακούφιση της παγκόσμιας λειψυδρίας. Ωστόσο, αυτή η τεχνολογία αντιμετωπίζει μεγάλες προκλήσεις λόγω της υψηλής κατανάλωσης ενέργειας και του χαμηλού ρυθμού εξάτμισης της εξάτμισης του νερού. Η ομάδα του καθηγητή Arne Thomas στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Βερολίνου, Γερμανία, αναφέρει ένα ομοιοπολικό οργανικό πλαίσιο (COF)/υδρογέλη διπλής περιοχής γραφενίου που περιέχει υδρόφιλες και υδρόφοβες περιοχές σε ένα υλικό μέσω μιας απλής in situ στρατηγικής ανάπτυξης. Το υδρόφιλο COF καλύπτει μέρος της υδρόφοβης περιοχής γραφενίου. Με τον ακριβή έλεγχο των δύο περιοχών διαβροχής, η υβριδική υδρογέλη δείχνει αποτελεσματική συγκομιδή φωτός, ρυθμιζόμενη διαβρεξιμότητα, βελτιστοποιημένη περιεκτικότητα σε νερό και μειωμένη ενεργειακή απαίτηση για εξάτμιση νερού. Ως ηλιακός απορροφητής, η υδρογέλη διπλής περιοχής επιτυγχάνει ρυθμό παραγωγής ατμού έως και 3.69 kg/m2/h για 1 ηλιακή ακτινοβολία (1kw/m2), που είναι συγκρίσιμος με άλλα προηγμένα υλικά. Επιπλέον, αυτός ο εξατμιστής υδρογέλης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή πόσιμου νερού από θαλασσινό νερό και λύματα, αποδεικνύοντας τις δυνατότητες επεξεργασίας του νερού. Η ερευνητική εργασία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό JACS ως «A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation», JACS, ένα κορυφαίο διεθνές περιοδικό.
- Επιστημονικές εξελίξεις: Φωτοθερμικός εξατμιστής νερού υψηλής απόδοσης εμπνευσμένος από τη δομή της λεπίδας νούφαρου
Τα τελευταία χρόνια, η διεπιφανειακή παραγωγή ηλιακών ατμών έχει δείξει μεγάλες δυνατότητες για την επίτευξη υψηλής απόδοσης μετατροπής ενέργειας για αφαλάτωση και επεξεργασία λυμάτων. Ωστόσο, οι υψηλοί ρυθμοί εξάτμισης δεν μπορούν να διατηρηθούν λόγω της φαινομενικά αναπόφευκτης συσσώρευσης ρύπων ή αλατιού στον ηλιακό απορροφητή. Η αποικοδόμηση επιταχύνεται καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, η ομάδα του καθηγητή Jia Zhu στο Πανεπιστήμιο Nanjing, εμπνευσμένη από τη δομή των φύλλων του νούφαρου, σχεδίασε μια δομή πολλαπλών σταδίων (συσκευή μετατροπής φωτοθερμικής δομής από νούφαρο (WHS), η οποία μπορεί να επιτύχει απόδοση φωτοθερμικής μετατροπής 80% όταν επεξεργάζεται υψηλή συγκέντρωση άλατος 10% w30% wt. Αξίζει να αναφέρουμε ότι η απόδοση φωτοθερμικής μετατροπής δεν μειώνεται σημαντικά κατά την επεξεργασία άλμης και υγρών αποβλήτων έως ότου ολοκληρωθεί η εξάτμιση (δηλαδή «μηδενική απόρριψη») και η εργασία δημοσιεύτηκε στο Science Advance με τον τίτλο «A Water-lily-inspired για την υψηλή απόδοση και την αποτελεσματικότητα».
- Νανοενέργεια: Δισουλφίδιο του μολυβδαινίου για φωτοθερμική εξάτμιση νερού
Οι ερευνητές της ομάδας του Lifeng Wan στο Ινστιτούτο Υλικών Συνοριακής Ανάπτυξης του Πανεπιστημίου Deakin ανέπτυξαν μια σειρά από δισουλφιδικές και νιτριδικές ετεροδομές πλούσιες σε άζωτο με μεταβατικά μέταλλα για την εξάτμιση νερού από τον ήλιο μέσω μερικού μετασχηματισμού κρυστάλλων. Συγκεκριμένα, αυτές οι προηγμένες δισδιάστατες ετεροδομές παρουσιάζουν βελτιωμένη φασματική απορρόφηση στην υπέρυθρη περιοχή και εξαιρετική χημική σταθερότητα σε διαφορετικά διαλύματα, συμπεριλαμβανομένου του νερού, των οξέων και των βάσεων. Το πιο σημαντικό είναι ότι, λόγω της βελτιωμένης έντασης φασματικής απορρόφησης και της μειωμένης απώλειας θερμότητας, η ηλιακή θερμική συσκευή MoS2-Mo5N6/ αφρού μελαμίνης (MF) παρουσιάζει υψηλό ρυθμό εξάτμισης (2.31 kg m-2h-1) και απόδοση μετατροπής (106.6%), οι οποίες είναι 1.4 και 4.7 φορές υψηλότερες από εκείνες των ηλιακών συσκευών MoS2/MF και MF/νερού, αντίστοιχα. Αυτή η εργασία παρέχει μια σειρά από προηγμένες δισδιάστατες-2D TMDs-πλούσιες σε άζωτο ετεροδομές νιτριδίων πλούσιες σε άζωτο με εξαιρετική φωτοθερμική απόδοση για την παραγωγή νερού από τον ήλιο. Αυτή η εργασία δημοσιεύτηκε στο Nano energy, ένα κορυφαίο διεθνές περιοδικό, με τίτλο «Advanced 2D-2D heterostructures of transition metal dichalcogenides and nitrogen-rich nitrides for solar water generation».
Η ηλιακή φωτοθερμική τεχνολογία εξάτμισης νερού αναμένεται να λύσει την παγκόσμια έλλειψη καθαρού νερού, αυτό που πρέπει να λυθεί τώρα είναι η χαμηλού κόστους προετοιμασία φωτοθερμικών υλικών, η λειτουργία υψηλής απόδοσης, καθώς και η σταθερότητα και η φορητότητα χρήσης σε περιβάλλοντα πρακτικής εφαρμογής, προσβλέποντας σε περισσότερα αποτελέσματα στο μέλλον προς πρώιμο όφελος όλης της ανθρωπότητας!
Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τον αφρό μελαμίνης, επικοινωνήστε μαζί μας στο [email protected] ή τηλεφωνήστε μας στο +86-28-8411-1861.
Ορισμένες εικόνες και κείμενα αναπαράγονται από το Διαδίκτυο και τα πνευματικά δικαιώματα ανήκουν στον αρχικό δημιουργό. Εάν υπάρχει οποιαδήποτε παράβαση, επικοινωνήστε μαζί μας για διαγραφή.