Lipsa de apă dulce este o provocare din ce în ce mai serioasă pentru dezvoltarea socială. Se raportează că 29% din populația globală nu are apă potabilă sigură, iar cererea de apă curată este încă în creștere din cauza creșterii populației și a problemelor de mediu. Apa curată asociată cu canalizarea este deosebit de importantă în contextul actualului focar de boală coronavirus (pneumonie cu neocoronavirus). Evaporarea apei cu energie solară este considerată una dintre cele mai promițătoare tehnologii pentru producerea de apă curată din apă de mare și apă uzată folosind lumina soarelui ca singura intrare de energie. Tehnologia se bazează în mare măsură pe absorbanții solari, care acționează ca evaporatoare pentru a transforma energia solară în căldură pentru a produce abur. Pentru a obține rate mari de evaporare a apei și eficiențe de conversie a căldurii solare, materialul ideal ar trebui să aibă o gamă largă de absorbanță pentru a utiliza eficient o mare parte a spectrului solar, conductivitate termică scăzută pentru a suprima pierderile de căldură și canale poroase tridimensionale (3D) pentru un transport eficient al apei. Până acum, oamenii de știință au dezvoltat diverse materiale fototermale pe bază de carbon (de exemplu, grafen sau nanotuburi de carbon), polimeri, metale și oxizi de metal și hibrizii acestora etc.
Oamenii de știință au lucrat din greu pentru a explora și a face multe descoperiri în ultimii ani, așa că haideți să învățăm din mai multe publicații de actualitate despre progresul cercetării în generarea de apă curată fototermală în ultimii ani.
- Comunicații cu natura: frunzele plantelor inspiră un purificator de apă cu energie solară, de înaltă eficiență
Frunzele plantelor vasculare naturale se bazează pe diferențele de presiune osmotică, transpirație și excreție pentru a produce tone de apă curată, alimentată de lumina soarelui. Inspirați de acest lucru, cercetătorii din grupul lui Chun Li de la Universitatea Qinghua au raportat un purificator acționat de lumina soarelui pentru purificarea și producția eficientă a apei. Acest purificator acționat de lumina soarelui prezintă un hidrogel de poli(N-izopropilacrilamidă) (PN) sensibil la temperatură negativă, ancorat pe o structură de spumă de melamină superhidrofilă și acoperit la exterior cu o membrană filtrantă de grafen (PG) modificat cu PNIPAm. Simulările dinamice moleculare și rezultatele experimentale au arătat că natura superhidrofilă a scheletului de melamină relativ rigid a accelerat semnificativ rata de umflare/desumflare a purificatorului PNPG-F. Sub aceeași iradiere cu intensitate a luminii solare, această structură proiectată rațional a asigurat o colectare de 4.2 kg/m2/h și o îndepărtare a ionilor de > 99% pentru un singur PNPG-F dintr-o alimentare cu saramură, prin efectele sinergice ale evaporării și adăugării prin picurare. Autorul prevede mari aplicații potențiale pentru acest sistem extrem de eficient acționat de lumina soarelui în diverse aplicații de tratare a apei. Studiul a fost publicat ca articol intitulat „Purificator acționat de lumina soarelui inspirat de frunzele plantelor pentru producerea de apă curată de înaltă eficiență” în subjurnalul Nature Communications.
- Progrese științifice: rețele polimerice foarte hidratabile de hidrogeluri care absorb lumină pentru purificarea apei solare
Evaporarea apei solare pentru purificarea apei este o tehnologie promițătoare pentru producția de apă dulce. Cu toate acestea, generarea de vapori solari este consumatoare de energie, ceea ce duce la o producție scăzută de apă la lumina naturală. Prin urmare, există o mare nevoie de a dezvolta noi materiale care să reducă cererea de energie pentru evaporarea apei și să accelereze purificarea apei solare. Grupul profesorului Guihua Yu de la Austin, Texas, SUA, a raportat un hidrogel foarte hidratat care absoarbe lumina (h-LAH) compus din alcool polivinilic și chitosan ca coloană de hidratare și polipirol ca absorbant de lumină, care poate folosi mai puțină energie (< 50% din volumul de apă) pentru a evapora apa. S-a demonstrat că creșterea capacității de hidratare a h-LAH poate schimba starea apei și poate activa parțial apa, facilitând astfel evaporarea apei. h-LAH a crescut producția de vapori solari la o rată record de ~3.6 kg/m2/h la 1 soare. Evaporarea apei solare pe bază de h-LAH a prezentat, de asemenea, durabilitate pe termen lung și proprietăți antifouling împotriva contaminanților ionici complecși. Cercetarea a fost publicată într-o lucrare intitulată „Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production” în subjurnalul Science Science Advances”.
- Angew: materiale COF cu superhidrofilitate și absorbție a luminii cu lungime de undă largă pentru evaporarea apei fototermale
Hidrofobicitatea inerentă și absorbția limitată a luminii polimerilor organici poroși, în special în regiunea infraroșu apropiat (NIR), sunt două blocaje care împiedică aplicarea lor în generarea solară de abur (SSG). Cercetătorii din grupul lui Xiaoli Yan de la Universitatea Jilin au dezvoltat un cadru organic covalent (COF) bazat pe 1,4,5,8 tetrakis(fenilamino)antracen-9,10-dionă (TPAD) (TPAD-COF), care se caracterizează prin suprahidrofilitate și absorbție largă a luminii care acoperă SSG din întreaga regiune UV/vizibilă NIR. TPAD-COF, ca material de conversie fototermal eficient, fără aditivi, prezintă o evaporare excelentă a apei de 1.42 kg/m2/h și atinge o eficiență ridicată de conversie a energiei de 94% sub o iradiere cu intensitate solară. O extindere suplimentară a intervalului de absorbție a luminii COF pe bază de TPAD a fost realizată prin modificarea post-sintetică a moleculelor BF2 chelate. Experimentele și analizele sistematice de control confirmă faptul că hidrofilitatea materialului de conversie fototermală joacă un rol mai dominant în COF-urile actuale pe bază de TPAD utilizate pentru evaporarea apei fototermale. Lucrarea de cercetare, intitulată „Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation”, a fost publicată în revista internațională de top Angewise. Lucrarea a fost publicată în revista internațională de top Angew. Chim. Int. Ed.
- JACS: hidrogel hidrofil-hidrofob cu două regiuni COF/grafen pentru evaporarea apei fototermale
Evaporarea apei solare este o tehnologie durabilă de tratare a apei care poate ajuta la atenuarea deficitului global de apă. Cu toate acestea, această tehnologie se confruntă cu mari provocări din cauza consumului mare de energie și a ratei scăzute de evaporare a evaporării apei. Grupul Prof. Arne Thomas de la Universitatea Tehnică din Berlin, Germania, raportează un hidrogel cu cadru organic covalent (COF)/grafen cu două regiuni care conține atât regiuni hidrofile, cât și regiuni hidrofobe într-un singur material printr-o strategie simplă de creștere in situ. COF hidrofil acoperă o parte din regiunea hidrofobă a grafenului. Prin controlul precis al celor două regiuni de umectare, hidrogelul hibrid prezintă o recoltare eficientă a luminii, umectare reglabilă, conținut optimizat de apă și necesar redus de energie pentru evaporarea apei. Ca absorbant solar, hidrogelul cu două regiuni atinge o rată de generare a vaporilor de până la 3.69 kg/m2/h pentru 1 iradiere solară (1kw/m2), care este comparabilă cu alte materiale avansate. În plus, acest evaporator cu hidrogel poate fi folosit pentru a produce apă potabilă din apă de mare și canalizare, demonstrând potențialul tratării apei. Lucrarea de cercetare a fost publicată în revista JACS sub numele de „A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation”, JACS, o revistă internațională de top.
- Progrese științifice: Evaporator de apă fototermal de înaltă eficiență, inspirat din structura lamei de nufăr
În ultimii ani, generarea interfacială a vaporilor solari a demonstrat un mare potențial în realizarea unei eficiențe ridicate de conversie a energiei pentru desalinizare și tratarea apelor uzate. Cu toate acestea, ratele mari de evaporare nu pot fi menținute din cauza acumulării aparent inevitabile de murdărie sau sare pe absorbantul solar. Degradarea este accelerată pe măsură ce crește concentrația de dizolvat. Pentru a rezolva această problemă, grupul profesorului Jia Zhu de la Universitatea Nanjing, inspirat de structura frunzelor de nufăr, a proiectat o structură în mai multe etape (dispozitiv de conversie fototermal-vapor inspirat de nufăr (WHS), care poate atinge o eficiență de conversie fototermală de 80% atunci când se tratează 10% în greutate din apă sărată și 30% din apă sărată foarte concentrată. eficiența conversiei fototermale nu scade semnificativ în timpul tratării apei uzate și a saramurii foarte concentrate până când evaporarea este completă (adică, „descarcare zero”), iar suprafața rămâne curată.
- Nano energie: bisulfură de molibden pentru evaporarea apei fototermale
Cercetătorii din grupul lui Lifeng Wan de la Institutul pentru Materiale de Frontieră al Universității Deakin au dezvoltat o serie de heterostructuri de nitruri bogate în azot și disulfură de metale tranziționale pentru evaporarea solară a apei prin transformare cristalină parțială. În special, aceste heterostructuri 2D avansate prezintă o absorbție spectrală îmbunătățită în domeniul infraroșu și o stabilitate chimică excelentă în diferite soluții, inclusiv apă, acizi și baze. Mai important, datorită intensității sporite a absorbției spectrale și pierderii reduse de căldură, dispozitivul solar termic MoS2-Mo5N6/ spumă de melamină (MF) prezintă o rată de evaporare ridicată (2.31 kg m-2h-1) și o eficiență de conversie (106.6%), care sunt de 1.4 și, respectiv, 4.7 ori mai mari decât cele ale dispozitivelor solare MoS2/MF și MF/apă. Această lucrare oferă o serie de heterostructuri avansate de nitruri 2D-2D TMD-bogate în azot, cu performanțe fototermale excelente pentru generarea solară a apei. Această lucrare a fost publicată în Nano energy, o revistă internațională de top, sub titlul „Heterostructuri 2D-2D avansate de dicalcogenuri de metale de tranziție și nitruri bogate în azot pentru generarea solară de apă”.
Tehnologia de evaporare a apei fototermale solare este de așteptat să rezolve deficitul global de apă curată, ceea ce trebuie rezolvat acum este pregătirea la costuri reduse a materialelor fototermale, funcționarea de înaltă eficiență, precum și stabilitatea și portabilitatea utilizării în medii practice de aplicare, așteptând cu nerăbdare mai multe rezultate în viitor pentru beneficiul timpuriu al întregii omeniri!
Pentru mai multe informații despre spuma de melamină, vă rugăm să ne contactați la [email protected] sau să ne trimiteți un mesaj vocal: +86-28-8411-1861.
Unele imagini și texte sunt reproduse de pe Internet, iar drepturile de autor aparțin autorului original. Dacă există vreo încălcare, vă rugăm să ne contactați pentru a șterge.