Nedostatak pitke vode sve je ozbiljniji izazov društvenom razvoju. Izvještava se da 29% svjetske populacije nema ispravnu vodu za piće, a potražnja za čistom vodom i dalje raste zbog rasta populacije i ekoloških problema. Čista voda povezana sa sanitarnim uslovima posebno je važna u kontekstu trenutne epidemije korona virusa (neokoronavirusne pneumonije). Isparavanje vode na solarni pogon smatra se jednom od najperspektivnijih tehnologija za proizvodnju čiste vode iz morske i otpadne vode koristeći sunčevu svjetlost kao jedini energetski ulaz. Tehnologija se u velikoj mjeri oslanja na solarne apsorbere, koji djeluju kao isparivači za pretvaranje sunčeve energije u toplinu za proizvodnju pare. Da bi se postigle visoke stope isparavanja vode i efikasnost konverzije sunčeve topline, idealni materijal bi trebao imati širok raspon apsorpcije za efikasno korištenje velikog dijela sunčevog spektra, nisku toplinsku provodljivost za suzbijanje gubitka topline i trodimenzionalne (3D) porozne kanale za efikasan transport vode. Do sada su naučnici razvili različite fototermalne materijale na bazi ugljika (npr. grafen ili ugljične nanocijevi), polimera, metala i metalnih oksida i njihovih hibrida, itd.
Naučnici su naporno radili da istraže i naprave mnoga otkrića posljednjih godina, pa hajde da naučimo iz nekoliko aktuelnih publikacija o napretku istraživanja u proizvodnji fototermalne čiste vode posljednjih godina.
- Komunikacije u prirodi: Biljno lišće inspiriše visoko efikasan prečistač vode na solarni pogon
Listovi prirodnih vaskularnih biljaka oslanjaju se na razlike u osmotskom pritisku, transpiraciji i izlučivanju kako bi proizveli tone čiste vode, pokretane sunčevom svjetlošću. Inspirisani ovim, istraživači u Chun Lijevoj grupi na Univerzitetu Qinghua izvijestili su o pročišćivaču pokretanom sunčevom svjetlošću za efikasno prečišćavanje i proizvodnju vode. Ovaj pročišćivač pokretan sunčevom svjetlošću ima poli(N-izopropilakrilamidni) hidrogel (PN) koji reagira na negativnu temperaturu, usidren na superhidrofilnoj melaminskoj pjenastoj osnovi i obložen PNIPAm-modificiranom grafenskom (PG) filter membranom s vanjske strane. Simulacije molekularne dinamike i eksperimentalni rezultati pokazali su da superhidrofilna priroda relativno krute melaminske osnove značajno ubrzava brzinu bubrenja/otupljivanja pročišćivača PNPG-F. Pod istim intenzitetom zračenja sunčevom svjetlošću, ova racionalno konstruirana struktura osigurala je sakupljanje 4.2 kg/m2/h i uklanjanje > 99% iona za jedan PNPG-F iz dovoda slane vode kroz sinergijske efekte isparavanja i kapanja. Autor predviđa velike potencijalne primjene za ovaj visoko efikasan sistem pokretan sunčevom svjetlošću u različitim primjenama za prečišćavanje vode. Studija je objavljena kao rad pod naslovom „Lišće biljaka inspirisalo je pročišćivač na sunčevu svjetlost za visokoefikasnu proizvodnju čiste vode“ u podčasopisu Nature Communications.
- Napredak nauke: visoko hidratantne polimerne mreže hidrogelova koji upijaju svjetlost za solarno prečišćavanje vode
Solarno isparavanje vode za prečišćavanje vode je obećavajuća tehnologija za proizvodnju slatke vode. Međutim, proizvodnja solarne pare je energetski intenzivna, što rezultira niskom proizvodnjom vode pod prirodnim dnevnim svjetlom. Stoga postoji velika potreba za razvojem novih materijala koji mogu smanjiti potražnju za energijom za isparavanje vode i ubrzati solarno prečišćavanje vode. Grupa profesora Guihua Yua u Austinu, Teksas, SAD, izvijestila je o visoko hidratiziranom hidrogelu koji apsorbira svjetlost (h-LAH) koji se sastoji od polivinil alkohola i hitozana kao hidratacijske kičme i polipirola kao apsorbera svjetlosti, koji može koristiti manje energije (< 50% zapremine vode) za isparavanje. Pokazalo se da povećanje hidratantnog kapaciteta h-LAH može promijeniti stanje vode i djelomično aktivirati vodu, čime se olakšava isparavanje vode. h-LAH je povećao proizvodnju solarne pare na rekordnu stopu od ~3.6 kg/m2/h na 1 suncu. Sunčevo isparavanje vode na bazi h-LAH-a također je pokazalo dugotrajnu izdržljivost i svojstva protiv obraštanja u odnosu na kompleksne jonske zagađivače. Istraživanje je objavljeno u članku pod naslovom “Prečišćivač na bazi sunčeve svjetlosti inspirisan lišćem biljaka za visokoefikasnu proizvodnju čiste vode” u časopisu Science Advances.
- Angew: COF materijali sa superhidrofilnošću i apsorpcijom svjetlosti široke valne dužine za fototermalno isparavanje vode
Inherentna hidrofobnost i ograničena apsorpcija svjetlosti poroznih organskih polimera, posebno u bliskoj infracrvenoj (NIR) regiji, dva su uska grla koja ometaju njihovu primjenu u proizvodnji solarne pare (SSG). Istraživači iz Xiaoli Yanove grupe na Univerzitetu Jilin razvili su kovalentni organski okvir (COF) zasnovan na 1,4,5,8 tetrakis(fenilamino)antracen-9,10-dionu (TPAD) (TPAD-COF), koji se odlikuje superhidrofilnošću i širokom apsorpcijom svjetlosti koja pokriva/SSG cijelu UV regiju. TPAD-COF, kao efikasan materijal za fototermalnu konverziju bez ikakvih aditiva, pokazuje odlično isparavanje vode od 1.42 kg/m2/h i postiže visoku efikasnost konverzije energije od 94% pod jednim sunčevim zračenjem. Dalje proširenje opsega apsorpcije COF svjetlosti zasnovanog na TPAD-u postignuto je postsintetskom modifikacijom keliranih BF2 molekula. Sistematski kontrolni eksperimenti i analize potvrđuju da hidrofilnost materijala za fototermalnu konverziju igra dominantniju ulogu u trenutnim COF-ovima zasnovanim na TPAD-u koji se koriste za fototermalno isparavanje vode. Istraživački rad pod nazivom “Superhidrofilni2D kovalentni organski okviri kao širokopojasni apsorberi za efikasnu proizvodnju solarne pare” objavljen je u vrhunskom međunarodnom časopisu Angewise. Rad je objavljen u vrhunskom međunarodnom časopisu Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: Hidrofilno-hidrofobni dual-region COF/grafenski hidrogel za fototermalno isparavanje vode
Solarno isparavanje vode je održiva tehnologija za tretman vode koja može pomoći u ublažavanju globalne nestašice vode. Međutim, ova tehnologija se suočava sa velikim izazovima zbog velike potrošnje energije i niske stope isparavanja vode. Grupa prof. Arne Thomasa sa Tehničkog univerziteta u Berlinu, Njemačka, izvještava o kovalentnom organskom okviru (COF)/grafenskom hidrogelu sa dva područja koji sadrži i hidrofilne i hidrofobne regije u jednom materijalu kroz jednostavnu in situ strategiju rasta. Hidrofilni COF pokriva dio hidrofobne regije grafena. Preciznom kontrolom dva regiona vlaženja, hibridni hidrogel pokazuje efikasno prikupljanje svetlosti, podesivu kvašenje, optimizovan sadržaj vode i smanjenu potrebu za energijom za isparavanje vode. Kao solarni apsorber, hidrogel sa dva područja postiže brzinu stvaranja pare do 3.69 kg/m2/h za 1 sunčevo zračenje (1kw/m2), što je uporedivo sa drugim naprednim materijalima. Osim toga, ovaj hidrogel isparivač se može koristiti za proizvodnju pitke vode iz morske vode i kanalizacije, što pokazuje potencijal tretmana vode. Istraživački rad je objavljen u časopisu JACS kao “Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation”, JACS, vrhunski međunarodni časopis.
- Napredak nauke: visokoefikasni fototermalni isparivač vode inspiriran strukturom lopoča
Poslednjih godina, međufazna proizvodnja solarne pare pokazala je veliki potencijal u postizanju visoke efikasnosti konverzije energije za desalinizaciju i tretman otpadnih voda. Međutim, visoke stope isparavanja ne mogu se održati zbog naizgled neizbježnog nakupljanja nečistoća ili soli na solarnom apsorberu. Razgradnja se ubrzava kako se koncentracija otopljene tvari povećava. Da bi se pozabavila ovim problemom, grupa prof. Jia Zhua na Univerzitetu u Nanjingu, inspirirana strukturom listova lokvanja, dizajnirala je višestepenu strukturu (Hijerarhijska struktura inspirisana lokvanjem (WHS) fototermalni uređaj za konverziju pare, koji može postići 80% efikasnosti fototermalne konverzije kada se tretira 10 wt% slane vode i ima visoku koncentraciju vode. spominjući da se efikasnost fototermalne konverzije ne smanjuje značajno tokom tretmana visokokoncentrirane slane vode i otpadne vode dok se ne završi isparavanje (tj. „nulto pražnjenje“), a površina ostaje čista pod naslovom „Hijerarhijski dizajn inspiriran lokvanjima za stabilno i efikasno solarno isparavanje brina visoke soli“.
- Nano energija: molibden disulfid za fototermalno isparavanje vode
Istraživači u Lifeng Wanovoj grupi na Institutu za granične materijale Univerziteta Deakin razvili su niz heterostruktura disulfida prelaznih metala i nitrida bogatih dušikom za isparavanje vode solarnom energijom putem djelomične kristalne transformacije. Konkretno, ove napredne 2D heterostrukture pokazuju poboljšanu spektralnu apsorpciju u infracrvenom rasponu i odličnu hemijsku stabilnost u različitim rastvorima, uključujući vodu, kiseline i baze. Što je još važnije, zbog poboljšanog intenziteta spektralne apsorpcije i smanjenog gubitka topline, solarni termalni uređaj od MoS2-Mo5N6/ melaminske pjene (MF) pokazuje visoku brzinu isparavanja (2.31 kg m-2h-1) i efikasnost konverzije (106.6%), što je 1.4 i 4.7 puta više od solarnih uređaja MoS2/MF i MF/voda. Ovaj rad pruža niz naprednih 2D-2D TMD-ova i heterostruktura bogatih dušikom nitrida s odličnim fototermalnim performansama za generiranje solarne vode. Ovaj rad je objavljen u Nano energy, vodećem međunarodnom časopisu, pod nazivom „Napredne 2D-2D heterostrukture dihalkogenida prelaznih metala i nitrida bogatih dušikom za generiranje solarne vode“.
Očekuje se da će solarna fototermalna tehnologija isparavanja vode riješiti globalnu nestašicu čiste vode, ono što sada treba riješiti je jeftina priprema fototermalnih materijala, rad visoke efikasnosti, kao i stabilnost i prenosivost upotrebe u praktičnim primjenskim okruženjima, radujući se više rezultata u budućnosti za ranu dobrobit cijelog čovječanstva!
Za više informacija o melaminskoj pjeni, kontaktirajte nas na [email protected] ili nam pošaljite glasovnu poruku: +86-28-8411-1861.
Neke slike i tekstovi su reprodukovani sa interneta, a autorska prava pripadaju originalnom autoru. Ako postoji bilo kakvo kršenje, molimo kontaktirajte nas da ga izbrišemo.