Nedostatok sladkej vody je čoraz závažnejšou výzvou pre sociálny rozvoj. Uvádza sa, že 29 % svetovej populácie nemá bezpečnú pitnú vodu a dopyt po čistej vode sa stále zvyšuje v dôsledku rastu populácie a environmentálnych problémov. Čistá voda spojená s hygienou je obzvlášť dôležitá v kontexte súčasného prepuknutia koronavírusovej choroby (neokoronavírusová pneumónia). Solárne odparovanie vody sa považuje za jednu z najsľubnejších technológií na výrobu čistej vody z morskej a odpadovej vody pomocou slnečného žiarenia ako jediného energetického vstupu. Technológia sa vo veľkej miere spolieha na solárne absorbéry, ktoré fungujú ako výparníky na premenu slnečnej energie na teplo na výrobu pary. Na dosiahnutie vysokej rýchlosti odparovania vody a účinnosti premeny slnečného tepla by mal mať ideálny materiál široký rozsah absorbancie na efektívne využitie veľkej časti slnečného spektra, nízku tepelnú vodivosť na potlačenie tepelných strát a trojrozmerné (3D) porézne kanály pre efektívny transport vody. Vedci doteraz vyvinuli rôzne fototermálne materiály na báze uhlíka (napr. grafén alebo uhlíkové nanorúrky), polyméry, kovy a oxidy kovov a ich hybridy atď.
Vedci v posledných rokoch usilovne pracujú na tom, aby preskúmali a urobili mnohé prelomové objavy, a tak sa poďme poučiť z niekoľkých aktuálnych publikácií o pokroku vo výskume výroby fototermálnej čistej vody v posledných rokoch.
- Prírodné komunikácie: Listy rastlín inšpirujú solárne poháňaný vysoko účinný čistič vody
Listy prírodných cievnatých rastlín sa spoliehajú na rozdiely v osmotickom tlaku, transpirácii a vylučovaní, aby produkovali tony čistej vody, poháňané slnečným žiarením. Inšpirovaní týmto faktom, výskumníci zo skupiny Chun Li na Univerzite Qinghua predstavili čističku poháňanú slnečným žiarením na efektívne čistenie a produkciu vody. Táto čistička poháňaná slnečným žiarením obsahuje poly(N-izopropylakrylamidový) hydrogél (PN) reagujúci na negatívnu teplotu, ukotvený na superhydrofilnej melamínovej penovej chrbtici a na vonkajšej strane potiahnutý PNIPAm-modifikovanou grafénovou (PG) filtračnou membránou. Molekulárno-dynamické simulácie a experimentálne výsledky ukázali, že superhydrofilná povaha relatívne tuhej melamínovej chrbtice výrazne urýchlila rýchlosť napučiavania/odpudzovania čističky PNPG-F. Pri ožiarení rovnakou intenzitou slnečného žiarenia táto racionálne navrhnutá štruktúra poskytovala zber 4.2 kg/m2/h a odstránenie > 99 % iónov pre jeden PNPG-F z prívodu soľanky prostredníctvom synergických účinkov odparovania a kvapkového pridávania. Autor predpokladá veľký potenciál pre tento vysoko účinný systém poháňaný slnečným žiarením v rôznych aplikáciách úpravy vody. Štúdia bola publikovaná ako článok s názvom „Listy rastlín inšpirovali čističku poháňanú slnečným žiarením pre vysokoúčinnú výrobu čistej vody“ v podčasopise Nature Communications.
- Vedecké pokroky: Vysoko hydratovateľné polymérne siete hydrogélov absorbujúcich svetlo na solárne čistenie vody
Solárne odparovanie vody na čistenie vody je sľubnou technológiou na výrobu sladkej vody. Vytváranie solárnych pár je však energeticky náročné, čo vedie k nízkej produkcii vody pri prirodzenom dennom svetle. Preto existuje veľká potreba vyvinúť nové materiály, ktoré dokážu znížiť spotrebu energie na vyparovanie vody a urýchliť čistenie solárnej vody. Skupina profesora Guihua Yu v Austine, Texas, USA, oznámila vysoko hydratovaný hydrogél absorbujúci svetlo (h-LAH) zložený z polyvinylalkoholu a chitosanu ako hydratačnej kostry a polypyrolu ako absorbéra svetla, ktorý môže spotrebovať menej energie (< 50 % objemu vody) na odparovanie vody. Ukázalo sa, že zvýšenie hydratačnej kapacity h-LAH môže zmeniť stav vody a čiastočne aktivovať vodu, čím sa uľahčí odparovanie vody. h-LAH zvýšilo produkciu slnečnej pary na rekordnú rýchlosť ~3.6 kg/m2/h na 1 slnko. Solárne odparovanie vody na báze h-LAH tiež vykazovalo dlhodobú trvanlivosť a vlastnosti proti znečisteniu proti komplexným iónovým kontaminantom. Výskum bol publikovaný v článku s názvom „Slnečným svetlom poháňaný čistič inšpirovaný rastlinnými listami pre vysoko účinnú výrobu čistej vody“ v časopise Science Advances.
- Angew: COF materiály so superhydrofilitou a absorpciou svetla so širokou vlnovou dĺžkou pre fototermálne odparovanie vody
Inherentná hydrofóbnosť a obmedzená absorpcia svetla poréznych organických polymérov, najmä v oblasti blízkej infračervenej oblasti (NIR), sú dve úzke miesta, ktoré bránia ich aplikácii pri výrobe solárnej pary (SSG). Výskumníci zo skupiny Xiaoli Yana na Univerzite Jilin vyvinuli kovalentný organický rámec (COF) založený na 1,4,5,8 tetrakis(fenylamino)antracén-9,10-diónu (TPAD) (TPAD-COF), ktorý sa vyznačuje superhydrofilitou a širokou absorpciou svetla pokrývajúcou SSG z celej UV/viditeľnej oblasti NIR. TPAD-COF, ako účinný fototermálny konverzný materiál bez akýchkoľvek prísad, vykazuje vynikajúce odparovanie vody 1.42 kg/m2/h a dosahuje vysokú účinnosť premeny energie 94 % pri jednom slnečnom ožiarení. Ďalšie rozšírenie rozsahu absorpcie svetla COF na báze TPAD sa dosiahlo postsyntetickou modifikáciou chelátovaných molekúl BF2. Systematické kontrolné experimenty a analýzy potvrdzujú, že hydrofilnosť fototermálneho konverzného materiálu hrá dominantnejšiu úlohu v súčasných COF na báze TPAD používaných na odparovanie fototermálnej vody. Výskumná práca s názvom „Superhydrofilné 2D kovalentné organické štruktúry ako širokopásmové absorbéry pre efektívnu výrobu solárnej pary“ bola publikovaná v špičkovom medzinárodnom časopise Angewise. Práca bola publikovaná v špičkovom medzinárodnom časopise Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: Hydrofilno-hydrofóbny hydrogél COF/grafénový s dvojitou oblasťou na fototermálne odparovanie vody
Solárne odparovanie vody je trvalo udržateľná technológia úpravy vody, ktorá môže pomôcť zmierniť globálny nedostatok vody. Táto technológia však čelí veľkým výzvam z dôvodu vysokej spotreby energie a nízkej rýchlosti vyparovania vody. Skupina profesora Arne Thomasa z Technickej univerzity v Berlíne v Nemecku uvádza dvojoblastný hydrogél kovalentnej organickej štruktúry (COF)/grafénu, ktorý obsahuje hydrofilné aj hydrofóbne oblasti v jednom materiáli prostredníctvom jednoduchej stratégie rastu in situ. Hydrofilný COF pokrýva časť hydrofóbnej grafénovej oblasti. Presným riadením dvoch zvlhčovacích oblastí hybridný hydrogél vykazuje efektívny zber svetla, laditeľnú zmáčavosť, optimalizovaný obsah vody a zníženú potrebu energie na odparovanie vody. Ako solárny absorbér dosahuje hydrogél s dvoma oblasťami rýchlosť tvorby pár až 3.69 kg/m2/h na 1 slnečné ožiarenie (1kw/m2), čo je porovnateľné s inými pokrokovými materiálmi. Okrem toho sa tento hydrogélový výparník môže použiť na výrobu pitnej vody z morskej vody a odpadových vôd, čo dokazuje potenciál úpravy vody. Výskumná práca bola publikovaná v časopise JACS ako “A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation”, JACS, špičkový medzinárodný časopis.
- Vedecké pokroky: Vysokoúčinný fototermálny odparovač vody inšpirovaný štruktúrou čepele lekna
V posledných rokoch ukázalo vytváranie solárnych pár na rozhraní veľký potenciál pri dosahovaní vysokej účinnosti premeny energie na odsoľovanie a čistenie odpadových vôd. Vysoké rýchlosti odparovania sa však nedajú udržať kvôli zdanlivo nevyhnutnému hromadeniu nečistôt alebo soli na solárnom absorbéri. Degradácia sa zrýchľuje so zvyšujúcou sa koncentráciou rozpustenej látky. Na vyriešenie tohto problému skupina profesora Jia Zhu na univerzite v Nanjing, inšpirovaná štruktúrou listov lekna, navrhla viacstupňovú štruktúru (zariadenie na konverziu fototermálnej pary inšpirované leknami (WHS), ktoré môže dosiahnuť 80 % účinnosť fototermickej konverzie pri úprave 10 % hmotn. a 30 % hmotn. odpadovej vody z vysoko koncentrovanej slanej vody. účinnosť fototermálnej konverzie sa výrazne neznižuje počas úpravy vysoko koncentrovanej soľanky a odpadovej vody, kým sa nedokončí odparovanie (tj „nulový výboj“) a povrch zostane čistý.
- Nano energia: sulfid molybdénu pre fototermálne odparovanie vody
Výskumníci v skupine Lifeng Wan na Inštitúte pre hraničné materiály Deakinovej univerzity vyvinuli sériu heterostruktúr na báze disulfidov prechodných kovov a nitridov bohatých na dusík pre solárne odparovanie vody prostredníctvom čiastočnej kryštalickej transformácie. Tieto pokročilé 2D heterostruktúry vykazujú najmä zvýšenú spektrálnu absorpciu v infračervenom rozsahu a vynikajúcu chemickú stabilitu v rôznych roztokoch vrátane vody, kyselín a zásad. A čo je dôležitejšie, vďaka zvýšenej intenzite spektrálnej absorpcie a zníženým tepelným stratám vykazuje solárne termálne zariadenie MoS2-Mo5N6/ melamínová pena (MF) vysokú rýchlosť odparovania (2.31 kg m-2h-1) a účinnosť konverzie (106.6 %), ktoré sú 1.4 a 4.7-krát vyššie ako u solárnych zariadení MoS2/MF a MF/voda. Táto práca poskytuje sériu pokročilých 2D-2D TMD-heterostruktúr bohatých na dusík nitridov s vynikajúcim fototermickým výkonom pre solárnu výrobu vody. Táto práca bola publikovaná v časopise Nano energy, poprednom medzinárodnom časopise, pod názvom „Pokročilé 2D-2D heterostruktúry dichalkogenidov prechodných kovov a nitridov bohatých na dusík pre výrobu solárnej vody“.
Očakáva sa, že technológia solárneho fototermálneho odparovania vody vyrieši globálny nedostatok čistej vody, čo je potrebné vyriešiť už teraz, je lacná príprava fototermálnych materiálov, vysokoúčinná prevádzka, ako aj stabilita a prenosnosť použitia v praktických aplikačných prostrediach, tešíme sa na ďalšie výsledky v budúcnosti pre skorý prospech celého ľudstva!
Pre viac informácií o melamínovej pene nás prosím kontaktujte na adrese [email protected] alebo nám pošlite hlasové číslo: +86-28-8411-1861.
Niektoré obrázky a texty sú reprodukované z internetu a autorské práva patria pôvodnému autorovi. Ak dôjde k porušeniu, kontaktujte nás, aby sme ich odstránili.