Nedostatek sladké vody je pro společenský rozvoj stále závažnější výzvou. Uvádí se, že 29 % celosvětové populace postrádá nezávadnou pitnou vodu a poptávka po čisté vodě stále roste kvůli růstu populace a problémům životního prostředí. Čistá voda spojená s hygienou je zvláště důležitá v souvislosti se současným propuknutím koronavirového onemocnění (neokoronavirová pneumonie). Odpařování vody na solární energii je považováno za jednu z nejslibnějších technologií pro výrobu čisté vody z mořské a odpadní vody s využitím slunečního záření jako jediného energetického vstupu. Technologie se do značné míry opírá o solární absorbéry, které fungují jako výparníky pro přeměnu sluneční energie na teplo pro výrobu páry. Pro dosažení vysokých rychlostí odpařování vody a účinnosti přeměny slunečního tepla by měl mít ideální materiál široký rozsah absorbance pro efektivní využití velké části slunečního spektra, nízkou tepelnou vodivost pro potlačení tepelných ztrát a trojrozměrné (3D) porézní kanály pro efektivní transport vody. Vědci zatím vyvinuli různé fototermální materiály na bázi uhlíku (např. grafen nebo uhlíkové nanotrubice), polymery, kovy a oxidy kovů a jejich hybridy atd.
Vědci v posledních letech usilovně pracují na prozkoumání a uskutečnění mnoha průlomových objevů, a tak se pojďme poučit z několika aktuálních publikací o pokroku ve výzkumu výroby fototermální čisté vody v posledních letech.
- Nature Communications: Listy rostlin inspirují solární, vysoce účinný čistič vody
Listy přírodních cévnatých rostlin se spoléhají na rozdíly v osmotickém tlaku, transpiraci a vylučování, aby produkovaly tuny čisté vody poháněné slunečním světlem. Inspirováni tím vědci ze skupiny Chun Li na univerzitě Qinghua oznámili čističku poháněnou slunečním zářením pro účinné čištění a výrobu vody. Tato čistička poháněná slunečním zářením obsahuje poly(N-isopropylakrylamidový) hydrogel (PN) reagující na negativní teplotu ukotvený na superhydrofilní melaminová pěna páteř a potažené PNIPAm-modifikovanou grafenovou (PG) filtrační membránou na vnější straně. Simulace molekulární dynamiky a experimentální výsledky ukázaly, že superhydrofilní povaha relativně tuhé melaminové páteře významně urychlila rychlost bobtnání/odbobtnání čističky PNPG-F. Při stejné intenzitě slunečního záření tato racionálně navržená struktura poskytla sběr 4.2 kg/m2/h a > 99% odstranění iontů pro jeden PNPG-F ze solanky prostřednictvím synergických efektů odpařování a přidávání kapek. Autor si představuje velké potenciální aplikace tohoto vysoce účinného systému poháněného slunečním zářením v různých aplikacích úpravy vody. Studie byla publikována jako článek nazvaný „Listy rostlin inspirovaný slunečním zářením řízený čistič pro vysoce účinnou výrobu čisté vody“ v časopise Nature Subjournal Nature communications.
- Vědecké pokroky: Vysoce hydratovatelné polymerní sítě hydrogelů absorbujících světlo pro solární čištění vody
Solární odpařování vody pro čištění vody je slibnou technologií pro výrobu sladké vody. Výroba solární páry je však energeticky náročná, což má za následek nízkou produkci vody při přirozeném denním světle. Proto existuje velká potřeba vyvinout nové materiály, které dokážou snížit energetickou náročnost na odpařování vody a urychlit čištění solární vody. Skupina profesora Guihua Yu v Austinu, Texas, USA, oznámila vysoce hydratovaný hydrogel absorbující světlo (h-LAH) složený z polyvinylalkoholu a chitosanu jako hydratační páteř a polypyrrolu jako absorbéru světla, který může spotřebovat méně energie (< 50 % objemu vody) k odpaření vody. Bylo prokázáno, že zvýšením hydratační kapacity h-LAH lze změnit skupenství vody a částečně aktivovat vodu, čímž se usnadní odpařování vody. h-LAH zvýšil produkci slunečních par na rekordní rychlost ~3.6 kg/m2/h na 1 slunce. Solární odpařování vody na bázi h-LAH také vykazovalo dlouhodobou trvanlivost a antivegetativní vlastnosti proti komplexním iontovým kontaminantům. Výzkum byl publikován v článku nazvaném „Listy rostlin inspirované slunečním zářením řízený čistič pro vysoce účinnou výrobu čisté vody“ v časopise Science Subjournal Science Advances.
- Angew: COF materiály se superhydrofilitou a širokovlnovou absorpcí světla pro fototermální odpařování vody
Inherentní hydrofobnost a omezená absorpce světla porézních organických polymerů, zejména v oblasti blízkého infračerveného záření (NIR), jsou dvě úzká místa, která brání jejich použití při výrobě solární páry (SSG). Výzkumníci ze skupiny Xiaoli Yana na Jilin University vyvinuli kovalentní organický rámec (COF) založený na 1,4,5,8 tetrakis(fenylamino)anthracen-9,10-dionu (TPAD) (TPAD-COF), který se vyznačuje superhydrofilitou a širokou absorpcí světla pokrývající SSG z celé UV/viditelné oblasti NIR. TPAD-COF jako účinný fototermální konverzní materiál bez jakýchkoliv přísad vykazuje vynikající odpařování vody 1.42 kg/m2/h a dosahuje vysoké účinnosti přeměny energie 94 % při jednom ozáření sluneční intenzitou. Dalšího rozšíření rozsahu absorpce světla COF na bázi TPAD bylo dosaženo postsyntetickou modifikací chelátovaných molekul BF2. Systematické kontrolní experimenty a analýzy potvrzují, že hydrofilita fototermálního konverzního materiálu hraje dominantnější roli v současných COF na bázi TPAD používaných pro fototermální odpařování vody. Výzkumná práce s názvem „Superhydrofilní 2D kovalentní organické rámce jako širokopásmové absorbéry pro efektivní generování solární páry“ byla publikována v špičkovém mezinárodním časopise Angewise. Práce byla publikována ve špičkovém mezinárodním časopise Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: Hydrofilně-hydrofobní duální COF/grafenový hydrogel pro fototermální odpařování vody
Solární odpařování vody je udržitelná technologie úpravy vody, která může pomoci zmírnit globální nedostatek vody. Tato technologie však čelí velkým výzvám kvůli vysoké spotřebě energie a nízké rychlosti odpařování vody. Skupina profesora Arne Thomase z Technické univerzity v Berlíně v Německu uvádí kovalentní organický framework (COF)/grafenový duální hydrogel, který obsahuje hydrofilní i hydrofobní oblasti v jednom materiálu prostřednictvím jednoduché strategie růstu in situ. Hydrofilní COF pokrývá část hydrofobní oblasti grafenu. Přesným řízením dvou smáčecích oblastí vykazuje hybridní hydrogel efektivní sběr světla, laditelnou smáčivost, optimalizovaný obsah vody a sníženou potřebu energie pro odpařování vody. Jako solární absorbér dosahuje duální hydrogel rychlosti tvorby páry až 3.69 kg/m2/h na 1 sluneční záření (1kw/m2), což je srovnatelné s jinými vyspělými materiály. Kromě toho lze tento hydrogelový odpařovač použít k výrobě pitné vody z mořské vody a odpadních vod, což dokazuje potenciál úpravy vody. Výzkumná práce byla publikována v časopise JACS jako „A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation“, JACS, špičkový mezinárodní časopis.
- Vědecké pokroky: Vysoce účinný fototermální vodní výparník inspirovaný strukturou čepele leknínu
V posledních letech prokázala výroba solárních par na rozhraní velký potenciál při dosahování vysoké účinnosti přeměny energie pro odsolování a čištění odpadních vod. Vysoké rychlosti odpařování však nelze udržet kvůli zdánlivě nevyhnutelné akumulaci nečistot nebo soli na solárním absorbéru. Degradace se urychluje se zvyšující se koncentrací rozpuštěné látky. K vyřešení tohoto problému navrhla skupina profesora Jia Zhu na univerzitě v Nanjingu, inspirovaná strukturou listů leknínu, vícestupňovou strukturu (zařízení pro konverzi fototermální páry inspirované lekníny (WHS), které může dosáhnout 80% účinnosti fototermální konverze při úpravě 10 % hmotn. z vysoce koncentrované slané vody a stojí za zmínku, že stojí za zmínku, že odpadní voda s vysokou koncentrací 30 % hmotn. účinnost fototermální přeměny se během úpravy vysoce koncentrované solanky a odpadních vod výrazně nesnižuje, dokud není odpařování dokončeno (tj. „nulový výboj“) a povrch zůstává čistý.
- Nanoenergie: sirník molybdeničitý pro fototermální odpařování vody
Výzkumníci ve skupině Lifeng Wana z Institutu pro hraniční materiály Deakin University vyvinuli řadu heterostruktur disulfidů přechodných kovů a nitridů bohatých na dusík pro odpařování sluneční vody prostřednictvím částečné krystalové transformace. Zejména tyto pokročilé 2D heterostruktury vykazují zvýšenou spektrální absorpci v infračervené oblasti a vynikající chemickou stabilitu v různých roztocích, včetně vody, kyselin a zásad. Ještě důležitější je, že díky zvýšené intenzitě spektrální absorpce a sníženým tepelným ztrátám, MoS2-Mo5N6/melaminová pěna (MF) solární tepelné zařízení vykazuje vysokou rychlost odpařování (2.31 kg m-2h-1) a účinnost konverze (106.6 %), které jsou 1.4krát a 4.7krát vyšší než u solárních zařízení MoS2/MF a MF/voda. Tato práce poskytuje řadu pokročilých 2D-2D TMDs-nitridových heterostruktur bohatých na dusík s vynikajícím fototermickým výkonem pro solární výrobu vody. Tato práce byla publikována v Nano energy, špičkovém mezinárodním časopise, jako „Pokročilé 2D-2D heterostruktury dichalkogenidů přechodných kovů a nitridů bohatých na dusík pro výrobu solární vody“.
Očekává se, že solární technologie odpařování fototermální vody vyřeší globální nedostatek čisté vody, co je třeba nyní vyřešit, je nízkonákladová příprava fototermálních materiálů, vysoce účinný provoz a také stabilita a přenosnost použití v praktických aplikačních prostředích, těšíme se na další výsledky v budoucnu pro brzký prospěch celého lidstva!
Pro více informací o melaminové pěně nás prosím kontaktujte na [chráněno e-mailem] nebo nám hlaste: +86-28-8411-1861.
Některé obrázky a texty jsou reprodukovány z internetu a autorská práva náleží původnímu autorovi. Pokud dojde k nějakému porušení, kontaktujte nás, abychom je odstranili.