Nedostatak pitke vode sve je ozbiljniji izazov društvenom razvoju. Zabilježeno je da 29% svjetske populacije nema sigurnu pitku vodu, a potražnja za čistom vodom i dalje raste zbog rasta stanovništva i ekoloških problema. Čista voda povezana sa sanitarnim uvjetima osobito je važna u kontekstu trenutačne epidemije koronavirusne bolesti (Neocoronavirus pneumonija). Isparavanje vode na solarni pogon smatra se jednom od tehnologija koje najviše obećavaju za proizvodnju čiste vode iz morske i otpadne vode koristeći sunčevu svjetlost kao jedini izvor energije. Tehnologija se uvelike oslanja na solarne apsorbere, koji djeluju kao isparivači za pretvaranje sunčeve energije u toplinu za proizvodnju pare. Da bi se postigla visoka stopa isparavanja vode i učinkovitost pretvorbe sunčeve topline, idealan materijal trebao bi imati širok raspon apsorbancije za učinkovito korištenje velikog dijela sunčevog spektra, nisku toplinsku vodljivost za suzbijanje gubitka topline i trodimenzionalne (3D) porozne kanale za učinkovit transport vode. Do sada su znanstvenici razvili različite fototermalne materijale na bazi ugljika (npr. grafen ili ugljikove nanocijevi), polimera, metala i metalnih oksida i njihovih hibrida itd.
Znanstvenici su naporno radili na istraživanju i postizanju brojnih otkrića posljednjih godina, pa učimo iz nekoliko tematskih publikacija o napretku istraživanja u fototermalnoj proizvodnji čiste vode posljednjih godina.
- Nature Communications: Lišće biljke nadahnjuje visokoučinkoviti pročišćivač vode na solarnu energiju
Listovi prirodnih vaskularnih biljaka oslanjaju se na razlike u osmotskom tlaku, transpiraciji i izlučivanju kako bi proizveli tone čiste vode, pokretane sunčevom svjetlošću. Inspirirani time, istraživači u Chun Lijevoj grupi na Sveučilištu Qinghua izvijestili su o pročišćivaču pokretanom sunčevom svjetlošću za učinkovito pročišćavanje 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/odbubrivanja pročišćivača PNPG-F. Pod istim intenzitetom sunčeve svjetlosti, ova racionalno projektirana struktura osigurala je prikupljanje 4.2 kg/m2/h i uklanjanje > 99% iona za jedan PNPG-F iz dovoda slane vode kroz sinergijske učinke isparavanja i kapanja. Autor predviđa velike potencijalne primjene za ovaj visoko učinkovit sustav pokretan sunčevom svjetlošću u raznim primjenama obrade vode. Studija je objavljena kao rad pod naslovom „Lišće biljaka inspirirano pročišćivačem pogonjenim sunčevom svjetlošću za visokoučinkovitu proizvodnju čiste vode“ u podčasopisu Nature communications.
- Znanstveni napredak: visoko hidratabilne polimerne mreže hidrogelova koji apsorbiraju svjetlost za solarno pročišćavanje vode
Solarno isparavanje vode za pročišćavanje vode je obećavajuća tehnologija za proizvodnju slatke vode. Međutim, solarna proizvodnja pare je energetski intenzivna, što rezultira niskom proizvodnjom vode pod prirodnim dnevnim svjetlom. Stoga postoji velika potreba za razvojem novih materijala koji mogu smanjiti potrebu za energijom za isparavanje vode i ubrzati solarno pročišćavanje vode. Grupa profesora Guihua Yua u Austinu, Teksas, SAD, izvijestila je o visoko hidratiziranom hidrogelu koji apsorbira svjetlost (h-LAH) sastavljenom od polivinil alkohola i kitozana kao okosnice hidratacije i polipirola kao apsorbera svjetlosti, koji može koristiti manje energije (< 50% volumena vode) za isparavanje vode. Pokazalo se da povećanje hidratacijskog kapaciteta h-LAH može promijeniti stanje vode i djelomično aktivirati vodu, čime se olakšava isparavanje vode. h-LAH povećao je proizvodnju solarne pare na rekordnu stopu od ~3.6 kg/m2/h u 1 suncu. Isparavanje solarne vode na bazi h-LAH također je pokazalo dugotrajnu izdržljivost i svojstva protiv obraštanja protiv složenih ionskih kontaminanata. Istraživanje je objavljeno u radu pod naslovom “Pročišćivač nadahnut lišćem biljaka za visokoučinkovitu proizvodnju čiste vode” u znanstvenom podžurnalu Science Advances”.
- Angew: COF materijali sa superhidrofilnošću i apsorpcijom svjetlosti širokih valnih duljina za fototermalno isparavanje vode
Inherentna hidrofobnost i ograničena apsorpcija svjetlosti poroznih organskih polimera, posebno u području bliskom infracrvenom (NIR), dva su uska grla koja ometaju njihovu primjenu u solarnoj proizvodnji pare (SSG). Istraživači u skupini Xiaoli Yana na Sveučilištu Jilin razvili su kovalentni organski okvir (COF) temeljen na 1,4,5,8 tetrakis(fenilamino)antracen-9,10-dionu (TPAD) (TPAD-COF), koji je karakteriziran superhidrofilnošću i širokom apsorpcijom svjetla koji pokriva SSG iz cijele UV/vidljive NIR regije. TPAD-COF, kao učinkovit fototermički pretvorbeni materijal bez ikakvih dodataka, pokazuje izvrsnu evaporaciju vode od 1.42 kg/m2/h i postiže visoku učinkovitost pretvorbe energije od 94% pri jednom zračenju sunčevog intenziteta. Daljnje proširenje raspona apsorpcije svjetlosti COF-a temeljenog na TPAD-u postignuto je postsintetskom modifikacijom keliranih BF2 molekula. Sustavni kontrolni eksperimenti i analize potvrđuju da hidrofilnost materijala za fototermalnu pretvorbu igra dominantniju ulogu u trenutnim COF-ovima temeljenim na TPAD-u koji se koriste za isparavanje fototermalne vode. Istraživački rad pod naslovom “Superhidrofilni2D kovalentni organski okviri kao širokopojasni apsorberi za učinkovitu solarnu proizvodnju pare” objavljen je u vrhunskom međunarodnom časopisu Angewise. Rad je objavljen u vrhunskom međunarodnom časopisu Angew. Chem. Int. ur.
- JACS: Hidrofilno-hidrofobni dvoregijski COF/grafenski hidrogel za isparavanje fototermalne vode
Solarno isparavanje vode je održiva tehnologija za obradu vode koja može pomoći u ublažavanju globalne nestašice vode. Međutim, ova se tehnologija suočava s velikim izazovima zbog velike potrošnje energije i niske stope isparavanja isparavanja vode. Grupa prof. Arnea Thomasa s Tehničkog sveučilišta u Berlinu, Njemačka, izvještava o hidrogelu s dvostrukom regijom kovalentnog organskog okvira (COF)/grafena koji sadrži i hidrofilne i hidrofobne regije u jednom materijalu kroz jednostavnu in situ strategiju rasta. Hidrofilni COF pokriva dio hidrofobne grafenske regije. Preciznom kontrolom dva područja vlaženja, hibridni hidrogel pokazuje učinkovito prikupljanje svjetla, podesivu sposobnost vlaženja, optimizirani sadržaj vode i smanjenu potrebu za energijom za isparavanje vode. Kao solarni apsorber, hidrogel s dvostrukom regijom postiže stopu stvaranja pare do 3.69 kg/m2/h za 1 sunčevo zračenje (1kw/m2), što je usporedivo s drugim naprednim materijalima. Osim toga, ovaj isparivač hidrogela može se koristiti za proizvodnju pitke vode iz morske vode i kanalizacije, pokazujući potencijal obrade vode. Istraživački rad objavljen je u časopisu JACS kao “A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation”, JACS, vrhunski međunarodni časopis.
- Znanstveni napredak: visokoučinkovit fototermalni isparivač vode inspiriran strukturom oštrice vodenog ljiljana
Posljednjih godina međupovršinsko generiranje solarne pare pokazalo je veliki potencijal u postizanju visoke učinkovitosti pretvorbe energije za desalinizaciju i pročišćavanje otpadnih voda. Međutim, visoke stope isparavanja ne mogu se održati zbog naizgled neizbježnog nakupljanja prljavštine ili soli na solarnom apsorberu. Razgradnja se ubrzava kako se koncentracija otopljene tvari povećava. Kako bi riješila ovaj problem, grupa prof. Jia Zhua na Sveučilištu Nanjing, inspirirana strukturom lišća lopoča, dizajnirala je višestupanjsku strukturu (uređaj za fototermalnu pretvorbu pare inspiriran lopočima (Hijerarhijska struktura inspiriran lopočima), koji može postići 80% fototermalne učinkovitosti pretvorbe pri obradi 10 wt% visoko koncentrirane slane vode i 30 wt% otpadne vode. Vrijedno je. spominjući da se učinkovitost fototermalne pretvorbe ne smanjuje značajno tijekom obrade visoko koncentrirane slane vode i otpadne vode sve dok se ne završi isparavanje (tj. "nulto pražnjenje"), a površina ostaje čista pod naslovom "Hijerarhijski dizajn inspiriran lopočima za stabilno i učinkovito solarno isparavanje slane vode visokog saliniteta".
- Nano energija: Molibden disulfid za fototermalno isparavanje vode
Istraživači u Lifeng Wanovoj grupi na Institutu za granične materijale Sveučilišta Deakin razvili su niz heterostruktura disulfida prijelaznih 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 izvrsnu kemijsku stabilnost u različitim otopinama, 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 učinkovitost pretvorbe (106.6%), što je 1.4 odnosno 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 izvrsnim fototermalnim performansama za proizvodnju solarne vode. Ovaj rad je objavljen u časopisu Nano energy, vodećem međunarodnom časopisu, pod nazivom „Napredne 2D-2D heterostrukture dihalkogenida prijelaznih 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, visokoučinkovit rad, kao i stabilnost i prenosivost upotrebe u praktičnim okruženjima primjene, 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 reproducirani su s interneta, a autorska prava pripadaju izvornom autoru. Ako postoji bilo kakvo kršenje, kontaktirajte nas za brisanje.