Недостигът на прясна вода е все по-сериозно предизвикателство за социалното развитие. Съобщава се, че 29% от световното население няма безопасна питейна вода, а търсенето на чиста вода все още нараства поради нарастването на населението и екологичните проблеми. Чистата вода, свързана с канализацията, е особено важна в контекста на текущото огнище на коронавирусна болест (Neocoronavirus пневмония). Изпаряването на вода със слънчева енергия се счита за една от най-обещаващите технологии за производство на чиста вода от морска вода и отпадъчни води, използвайки слънчева светлина като единствен източник на енергия. Технологията разчита до голяма степен на слънчеви абсорбери, които действат като изпарители за преобразуване на слънчевата енергия в топлина за производство на пара. За постигане на високи скорости на изпаряване на вода и ефективност на преобразуване на слънчевата топлина, идеалният материал трябва да има широк диапазон на абсорбция за ефективно използване на голяма част от слънчевия спектър, ниска топлопроводимост за потискане на топлинните загуби и триизмерни (3D) порести канали за ефективен транспорт на вода. Досега учените са разработили различни фототермични материали на базата на въглерод (напр. графен или въглеродни нанотръби), полимери, метали и метални оксиди и техните хибриди и др.
Учените работят усилено, за да изследват и да направят много открития през последните години, така че нека се поучим от няколко тематични публикации за напредъка на изследванията във фототермалното генериране на чиста вода през последните години.
- Nature Communications: Листата на растенията вдъхновяват захранван със слънчева енергия, високоефективен пречиствател на вода
Листата на естествените съдови растения разчитат на разликите в осмотичното налягане, транспирацията и екскрецията, за да произвеждат тонове чиста вода, захранвана от слънчева светлина. Вдъхновени от това, изследователи от групата на Чун Ли в университета Цинхуа съобщиха за пречиствател, задвижван от слънчева светлина, за ефективно пречистване и производство на вода. Този пречиствател, задвижван от слънчева светлина, е с отрицателно температурно-чувствителен поли(N-изопропилакриламиден) хидрогел (PN), закрепен върху суперхидрофилен меламинов пенен гръбнак и покрит с PNIPAm-модифициран графен (PG) филтърна мембрана от външната страна. Молекулярно-динамичните симулации и експерименталните резултати показаха, че суперхидрофилният характер на относително твърдия меламинов гръбнак значително ускорява скоростта на набъбване/отделяне на пречиствателя PNPG-F. При облъчване със същия интензитет на слънчева светлина, тази рационално проектирана структура осигурява събиране от 4.2 kg/m2/h и > 99% отстраняване на йони за един PNPG-F от захранване със саламура чрез синергичните ефекти на изпаряването и капковото добавяне. Авторът предвижда големи потенциални приложения за тази високоефективна система, задвижвана от слънчева светлина, в различни приложения за пречистване на вода. Проучването е публикувано като статия, озаглавена „Листата на растенията вдъхновяват пречиствател, задвижван от слънчева светлина, за високоефективно производство на чиста вода“ в поджурнала Nature Communications.
- Научен напредък: Силно хидратиращи полимерни мрежи от абсорбиращи светлина хидрогелове за слънчево пречистване на вода
Слънчевото изпаряване на вода за пречистване на водата е обещаваща технология за производство на прясна вода. Генерирането на слънчеви пари обаче е енергоемко, което води до ниско производство на вода при естествена дневна светлина. Следователно има голяма нужда от разработване на нови материали, които могат да намалят потреблението на енергия за изпаряване на водата и да ускорят пречистването на слънчевата вода. Групата на професор Guihua Yu в Остин, Тексас, САЩ, съобщи за силно хидратиран хидрогел, поглъщащ светлина (h-LAH), съставен от поливинил алкохол и хитозан като хидратиращ гръбнак и полипирол като абсорбатор на светлина, който може да използва по-малко енергия (< 50% от обема вода) за изпаряване на водата. Беше демонстрирано, че увеличаването на хидратационния капацитет на h-LAH може да промени състоянието на водата и частично да активира водата, като по този начин улеснява изпаряването на водата. h-LAH увеличи производството на слънчева пара до рекордна скорост от ~3.6 kg/m2/h за 1 слънце. Базираното на h-LAH изпаряване на слънчева вода също показа дългосрочна издръжливост и противообрастващи свойства срещу комплексни йонни замърсители. Изследването е публикувано в статия, озаглавена „Пречиствател, вдъхновен от листата на растенията, управляван от слънчева светлина за високоефективно производство на чиста вода“ в научното подсписание Science Advances“.
- Angew: COF материали със суперхидрофилност и абсорбция на светлина с широка дължина на вълната за фототермално изпаряване на вода
Присъщата хидрофобност и ограничената абсорбция на светлина на порестите органични полимери, особено в близката инфрачервена (NIR) област, са две тесни места, които възпрепятстват тяхното приложение при генериране на слънчева пара (SSG). Изследователи от групата на Xiaoli Yan в университета Jilin разработиха ковалентна органична рамка (COF), базирана на 1,4,5,8 тетракис(фениламино)антрацен-9,10-дион (TPAD) (TPAD-COF), която се характеризира със суперхидрофилност и широка абсорбция на светлина, покриваща SSG от цялата UV/видима NIR област. TPAD-COF, като ефективен фототермичен преобразуващ материал без никакви добавки, показва отлично изпарение на вода от 1.42 kg/m2/h и постига висока ефективност на преобразуване на енергия от 94% при едно слънчево облъчване. Допълнително разширяване на обхвата на абсорбция на светлина на COF, базиран на TPAD, беше постигнато чрез пост-синтетична модификация на хелатни BF2 молекули. Систематичните контролни експерименти и анализи потвърждават, че хидрофилността на материала за фототермално преобразуване играе по-доминираща роля в настоящите COF, базирани на TPAD, използвани за фототермално изпаряване на вода. Изследователската работа, озаглавена „Суперхидрофилни 2D ковалентни органични рамки като широколентови абсорбери за ефективно генериране на слънчева пара“, беше публикувана в международното списание от най-висок клас Angewise. Работата е публикувана в най-доброто международно списание Angew. Chem. Вътр. Изд.
- JACS: Хидрофилно-хидрофобен двоен регион COF/графен хидрогел за фототермално изпаряване на вода
Слънчевото изпаряване на вода е устойчива технология за пречистване на вода, която може да помогне за облекчаване на глобалния недостиг на вода. Тази технология обаче е изправена пред големи предизвикателства поради високата консумация на енергия и ниската скорост на изпаряване на водата. Групата на проф. Арне Томас от Техническия университет в Берлин, Германия, съобщава за ковалентна органична рамка (COF)/графенов двурегионален хидрогел, който съдържа както хидрофилни, така и хидрофобни региони в един материал чрез проста стратегия за растеж in situ. Хидрофилният COF покрива част от хидрофобната графенова област. Чрез прецизен контрол на двете области на омокряне, хибридният хидрогел показва ефективно събиране на светлина, регулируема способност за омокряне, оптимизирано водно съдържание и намалено енергийно изискване за изпаряване на водата. Като слънчев абсорбер, хидрогелът с две зони постига скорост на генериране на пара до 3.69 kg/m2/h за 1 слънчево облъчване (1kw/m2), което е сравнимо с други модерни материали. В допълнение, този хидрогел изпарител може да се използва за производство на питейна вода от морска вода и канализация, демонстрирайки потенциала за пречистване на вода. Изследователската работа е публикувана в списание JACS като „Ковалентна органична рамка/графенов двурегионен хидрогел за подобрено генериране на вода, управлявано от слънчева енергия“, JACS, водещо международно списание.
- Научен напредък: Високоефективен фототермален воден изпарител, вдъхновен от структурата на острието на водната лилия
През последните години междуфазовото генериране на слънчева пара показа голям потенциал за постигане на висока ефективност на преобразуване на енергия за обезсоляване и пречистване на отпадъчни води. Високите скорости на изпарение обаче не могат да се поддържат поради привидно неизбежното натрупване на замърсяване или сол върху слънчевия абсорбер. Разграждането се ускорява с увеличаване на концентрацията на разтвореното вещество. За да се справи с този проблем, групата на проф. Jia Zhu от университета в Нанкин, вдъхновена от структурата на листата на водна лилия, проектира многоетапна структура (вдъхновена от водната лилия йерархична структура (WHS) фототермално устройство за преобразуване на пари, което може да постигне 80% фототермична ефективност при преобразуване при третиране на 10 тегл.% силно концентрирана солена вода и 30 тегл.% от отпадъчните води. Струва си като се споменава, че ефективността на фототермичното преобразуване не намалява значително по време на третирането на силно концентриран солен разтвор и отпадъчни води, докато изпарението не приключи (т.е. „нулево изпускане“), а повърхността остава чиста под заглавието „Йерархичен дизайн, вдъхновен от водна лилия за стабилно и ефективно слънчево изпаряване на саламура с висока соленост“.
- Нано енергия: молибденов дисулфид за фототермално изпаряване на вода
Изследователи от групата на Лифенг Уан в Института за гранични материали към университета Дийкин са разработили серия от хетероструктури от преходни метални дисулфиди и богати на азот нитриди за слънчево изпаряване на вода чрез частична кристална трансформация. По-специално, тези усъвършенствани 2D хетероструктури показват подобрена спектрална абсорбция в инфрачервения диапазон и отлична химическа стабилност в различни разтвори, включително вода, киселини и основи. По-важното е, че поради подобрената интензивност на спектралната абсорбция и намалените топлинни загуби, слънчевото термично устройство MoS2-Mo5N6/ меламинова пяна (MF) показва висока скорост на изпаряване (2.31 kg m-2h-1) и ефективност на преобразуване (106.6%), които са съответно 1.4 и 4.7 пъти по-високи от тези на слънчевите устройства MoS2/MF и MF/вода. Тази работа предоставя серия от усъвършенствани 2D-2D TMDs-богати на азот нитридни хетероструктури с отлични фототермични характеристики за слънчево генериране на вода. Тази работа е публикувана в Nano energy, водещо международно списание, под заглавие „Разширени 2D-2D хетероструктури на преходни метални дихалкогениди и богати на азот нитриди за генериране на слънчева вода“.
Технологията за слънчево фототермално изпаряване на вода се очаква да реши глобалния недостиг на чиста вода, това, което трябва да бъде решено сега, е евтиното приготвяне на фототермални материали, високоефективната работа, както и стабилността и преносимостта на използване в среди с практическо приложение, с нетърпение очакваме повече резултати в бъдеще за ранна полза за цялото човечество!
За повече информация относно меламинова пяна, моля, свържете се с нас на [email protected] или ни пишете на телефон: +86-28-8411-1861.
Някои снимки и текстове са възпроизведени от интернет и авторските права принадлежат на оригиналния автор. Ако има някакво нарушение, моля, свържете се с нас, за да изтрием.