Niedobór świeżej wody stanowi coraz poważniejsze wyzwanie dla rozwoju społecznego. Podaje się, że 29% światowej populacji nie ma dostępu do bezpiecznej wody pitnej, a zapotrzebowanie na czystą wodę nadal rośnie ze względu na wzrost populacji i problemy środowiskowe. Czysta woda związana z warunkami sanitarnymi jest szczególnie ważna w kontekście obecnego wybuchu choroby koronawirusowej (neokoronawirusowe zapalenie płuc). Odparowywanie wody zasilane energią słoneczną jest uważane za jedną z najbardziej obiecujących technologii produkcji czystej wody z wody morskiej i ścieków przy użyciu światła słonecznego jako jedynego źródła energii. Technologia ta w dużym stopniu opiera się na absorberach słonecznych, które działają jak parowniki, przekształcając energię słoneczną w ciepło w celu wytworzenia pary. Aby osiągnąć wysokie wskaźniki parowania wody i wydajność konwersji ciepła słonecznego, idealny materiał powinien mieć szeroki zakres absorbancji, aby efektywnie wykorzystać dużą część widma słonecznego, niską przewodność cieplną, aby ograniczyć utratę ciepła, oraz trójwymiarowe (3D) porowate kanały do wydajnego transportu wody. Dotychczas naukowcy opracowali różne materiały fototermiczne na bazie węgla (np. grafenu czy nanorurek węglowych), polimerów, metali i tlenków metali oraz ich hybryd itp.
Naukowcy ciężko pracowali w ostatnich latach nad badaniami i przełomowymi odkryciami. Zapoznajmy się z kilkoma aktualnymi publikacjami na temat postępów badań w dziedzinie fototermicznego wytwarzania czystej wody w ostatnich latach.
- Nature Communications: Liście roślin stanowią inspirację do stworzenia wydajnego oczyszczacza wody zasilanego energią słoneczną
Liście naturalnych roślin naczyniowych wykorzystują różnice w ciśnieniu osmotycznym, transpiracji i wydalaniu, aby produkować tony czystej wody, zasilanej światłem słonecznym. Zainspirowani tym, naukowcy z grupy Chun Li z Uniwersytetu Qinghua opracowali oczyszczacz zasilany światłem słonecznym, zapewniający wydajne oczyszczanie i produkcję wody. Ten oczyszczacz zasilany światłem słonecznym zawiera hydrożel poli(N-izopropyloakrylamidowy) (PN) reagujący na ujemną temperaturę, osadzony na superhydrofilowym szkielecie z pianki melaminowej i pokryty od zewnątrz membraną filtracyjną z grafenu (PG) modyfikowanego PNIPAm. Symulacje dynamiki molekularnej i wyniki eksperymentów wykazały, że superhydrofilowy charakter stosunkowo sztywnego szkieletu melaminowego znacząco przyspiesza tempo pęcznienia/odpęcznienia oczyszczacza PNPG-F. Przy tym samym natężeniu promieniowania słonecznego, ta racjonalnie zaprojektowana konstrukcja zapewniła zbieranie 4.2 kg/m²/h i usuwanie jonów > 99% dla pojedynczego PNPG-F z solanki zasilającej, dzięki synergistycznemu efektowi parowania i dodawania kroplowego. Autor przewiduje ogromny potencjał zastosowań tego wysoce wydajnego systemu zasilanego światłem słonecznym w różnych zastosowaniach uzdatniania wody. Badanie zostało opublikowane w artykule zatytułowanym „Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production” w czasopiśmie Nature Communications.
- Postępy nauki: Wysoce uwodnione sieci polimerowe hydrożeli absorbujących światło do oczyszczania wody za pomocą energii słonecznej
Odparowywanie wody słonecznej w celu jej oczyszczania jest obiecującą technologią produkcji słodkiej wody. Jednak generowanie pary słonecznej jest energochłonne, co skutkuje niską produkcją wody w świetle dziennym. Dlatego istnieje ogromna potrzeba opracowania nowych materiałów, które mogą zmniejszyć zapotrzebowanie na energię do odparowywania wody i przyspieszyć oczyszczanie wody słonecznej. Grupa profesora Guihua Yu z Austin w Teksasie w USA opublikowała wysoce uwodniony hydrożel absorbujący światło (h-LAH) składający się z alkoholu poliwinylowego i chitozanu jako szkieletu hydratacji oraz polipirolu jako absorbera światła, który może zużywać mniej energii (< 50% objętości wody) do odparowania wody. Wykazano, że zwiększenie zdolności hydratacji h-LAH może zmienić stan wody i częściowo ją aktywować, ułatwiając w ten sposób odparowywanie wody. h-LAH zwiększył produkcję pary słonecznej do rekordowej szybkości ~3.6 kg/m2/h w ciągu 1 słońca. Parowanie wody słonecznej na bazie h-LAH wykazało również długoterminową trwałość i właściwości przeciwporostowe w stosunku do złożonych zanieczyszczeń jonowych. Badania zostały opublikowane w artykule zatytułowanym „Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production” w czasopiśmie naukowym Science Advances.
- Angew: Materiały COF o superhydrofilowości i absorpcji światła o szerokiej długości fali do fototermicznego odparowywania wody
Wrodzona hydrofobowość i ograniczona absorpcja światła porowatych polimerów organicznych, zwłaszcza w obszarze bliskiej podczerwieni (NIR), to dwa wąskie gardła, które utrudniają ich zastosowanie w generowaniu pary słonecznej (SSG). Naukowcy z grupy Xiaoli Yan na Uniwersytecie Jilin opracowali kowalencyjny szkielet organiczny (COF) oparty na 1,4,5,8 tetrakis(fenyloamino)antracen-9,10-dionie (TPAD) (TPAD-COF), który charakteryzuje się superhydrofilowością i szeroką absorpcją światła obejmującą SSG z całego obszaru UV/widzialnego NIR. TPAD-COF, jako wydajny materiał do konwersji fototermicznej bez żadnych dodatków, wykazuje doskonałe parowanie wody na poziomie 1.42 kg/m2/h i osiąga wysoką wydajność konwersji energii na poziomie 94% przy jednym napromieniowaniu intensywnością słoneczną. Dalsze rozszerzenie zakresu absorpcji światła COF opartego na TPAD osiągnięto poprzez postsyntetyczną modyfikację chelatowanych cząsteczek BF2. Systematyczne eksperymenty kontrolne i analizy potwierdzają, że hydrofilowość fototermicznego materiału konwersyjnego odgrywa bardziej dominującą rolę w obecnych COF opartych na TPAD stosowanych do fototermicznego odparowywania wody. Praca badawcza zatytułowana „Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation” została opublikowana w czołowym międzynarodowym czasopiśmie Angewise. Praca została opublikowana w czołowym międzynarodowym czasopiśmie Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: Hydrofilowo-hydrofobowy dwuregionowy hydrożel COF/grafen do fototermicznego odparowywania wody
Odparowywanie wody za pomocą energii słonecznej to zrównoważona technologia uzdatniania wody, która może pomóc złagodzić globalny niedobór wody. Jednak technologia ta stoi przed dużymi wyzwaniami ze względu na wysokie zużycie energii i niską szybkość parowania wody. Grupa prof. Arne Thomasa z Politechniki Berlińskiej w Niemczech przedstawia hydrożel dwuregionowy kowalencyjnego szkieletu organicznego (COF)/grafenu, który zawiera zarówno regiony hydrofilowe, jak i hydrofobowe w jednym materiale dzięki prostej strategii wzrostu in situ. Hydrofilowy COF pokrywa część hydrofobowego regionu grafenu. Dzięki precyzyjnej kontroli dwóch regionów zwilżania hybrydowy hydrożel wykazuje efektywne zbieranie światła, regulowaną zwilżalność, zoptymalizowaną zawartość wody i zmniejszone zapotrzebowanie na energię do odparowywania wody. Jako pochłaniacz energii słonecznej, hydrożel dwuregionowy osiąga szybkość generowania pary do 3.69 kg/m2/h na 1 napromieniowanie słoneczne (1 kw/m2), co jest porównywalne z innymi zaawansowanymi materiałami. Ponadto ten parownik hydrożelowy może być używany do produkcji wody pitnej z wody morskiej i ścieków, co pokazuje potencjał uzdatniania wody. Praca badawcza została opublikowana w czasopiśmie JACS jako „A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation”, JACS, czołowym międzynarodowym czasopiśmie.
- Postępy nauki: Wysokowydajny fototermiczny parownik wody inspirowany strukturą ostrza lilii wodnej
W ostatnich latach generacja pary słonecznej na interfejsie wykazała duży potencjał w osiąganiu wysokiej wydajności konwersji energii do odsalania i oczyszczania ścieków. Jednak wysokie wskaźniki parowania nie mogą być utrzymane ze względu na pozornie nieuniknione gromadzenie się zanieczyszczeń lub soli na absorberze słonecznym. Degradacja jest przyspieszana w miarę wzrostu stężenia substancji rozpuszczonych. Aby rozwiązać ten problem, grupa prof. Jia Zhu z Uniwersytetu Nankińskiego, zainspirowana strukturą liści lilii wodnej, zaprojektowała wielostopniową strukturę (urządzenie do konwersji fototermicznej pary wodnej o strukturze hierarchicznej inspirowanej lilią wodną (WHS), która może osiągnąć 80% wydajności konwersji fototermicznej podczas oczyszczania 10% wag. wysoce skoncentrowanej wody słonej i 30% wag. ścieków. Warto wspomnieć, że wydajność konwersji fototermicznej nie spada znacząco podczas oczyszczania wysoce skoncentrowanej solanki i ścieków, aż do całkowitego odparowania (tj. „zerowego zrzutu”), a powierzchnia pozostaje czysta. Praca została opublikowana w Science Advance pod tytułem „Hierarchiczna konstrukcja inspirowana lilią wodną dla stabilnego i wydajnego parowania słonecznego solanki o wysokim zasoleniu”.
- Nanoenergia: Dwusiarczek molibdenu do fototermicznego odparowywania wody
Naukowcy z grupy Lifenga Wana z Instytutu Materiałów Granicznych Uniwersytetu Deakina opracowali serię heterostruktur z disiarczków metali przejściowych i azotków bogatych w azot do odparowywania wody słonecznej poprzez częściową transformację krystaliczną. W szczególności te zaawansowane heterostruktury 2D charakteryzują się zwiększoną absorpcją widmową w zakresie podczerwieni i doskonałą stabilnością chemiczną w różnych roztworach, w tym w wodzie, kwasach i zasadach. Co ważniejsze, dzięki zwiększonej intensywności absorpcji widmowej i zmniejszonej utracie ciepła, solarne urządzenie termiczne z pianki MoS2-Mo5N6/melaminowej (MF) charakteryzuje się wysoką szybkością parowania (2.31 kg m-2h-1) i wydajnością konwersji (106.6%), które są odpowiednio 1.4 i 4.7 razy wyższe niż w przypadku urządzeń solarnych MoS2/MF i MF/woda. Niniejsza praca dostarcza serię zaawansowanych heterostruktur 2D-2D TMDs – azotków bogatych w azot o doskonałych parametrach fototermicznych do solarnego wytwarzania wody. Pracę tę opublikowano w czasopiśmie naukowym Nano Energy, jednym z czołowych czasopism międzynarodowych, pod tytułem „Zaawansowane heterostruktury 2D-2D dichalkogenków metali przejściowych i azotków bogatych w azot do wytwarzania wody za pomocą energii słonecznej”.
Oczekuje się, że technologia fototermicznego odparowywania wody rozwiąże globalny problem niedoboru czystej wody, a teraz należy zadbać o tanie przygotowanie materiałów fototermicznych, wysoką wydajność działania, a także stabilność i przenośność zastosowania w praktycznych środowiskach. Oczekujemy kolejnych wyników w przyszłości, które przyniosą jak najszybszą korzyść całej ludzkości!
Aby uzyskać więcej informacji na temat pianki melaminowej, prosimy o kontakt pod adresem [email protected] lub telefonicznie: +86-28-8411-1861.
Niektóre zdjęcia i teksty są reprodukowane z Internetu, a prawa autorskie należą do oryginalnego autora. Jeśli doszło do naruszenia, prosimy o kontakt w celu usunięcia.