Makean veden puute on yhä vakavampi haaste yhteiskunnan kehitykselle. On raportoitu, että 29 prosentilla maailman väestöstä puuttuu puhdasta juomavettä, ja puhtaan veden kysyntä kasvaa edelleen väestönkasvun ja ympäristöongelmien vuoksi. Sanitaatioon liittyvä puhdas vesi on erityisen tärkeää nykyisen koronavirustaudin (neokoronaviruskeuhkokuume) puhkeamisen yhteydessä. Aurinkovoimalla toimivaa veden haihdutusta pidetään yhtenä lupaavimmista teknologioista puhtaan veden tuottamiseen merivedestä ja jätevedestä käyttämällä auringonvaloa ainoana energiansyötteenä. Tekniikka on vahvasti riippuvainen aurinkoabsorbereista, jotka toimivat höyrystiminä ja muuttavat aurinkoenergian lämmöksi höyryn tuottamiseksi. Korkean veden haihtumisnopeuden ja auringon lämmön muunnostehokkuuden saavuttamiseksi ihanteellisen materiaalin absorbanssin tulee olla laaja, jotta se voi tehokkaasti hyödyntää suuren osan auringon spektristä, alhainen lämmönjohtavuus lämmönhukan estämiseksi ja kolmiulotteiset (3D) huokoiset kanavat tehokkaaseen veden siirtoon. Tähän mennessä tiedemiehet ovat kehittäneet erilaisia hiileen perustuvia fototermisiä materiaaleja (esim. grafeeni tai hiilinanoputket), polymeerejä, metalleja ja metallioksideja ja niiden hybridejä jne.
Tiedemiehet ovat työskennelleet ahkerasti tutkiakseen ja tehdäkseen monia läpimurtoja viime vuosina, joten otetaan opiksi useista ajankohtaisista julkaisuista valotermisen puhtaan veden tuotannon tutkimuksen edistymisestä viime vuosina.
- Luontoviestintä: Kasvien lehdet inspiroivat aurinkoenergialla toimivaa, tehokasta vedenpuhdistinta
Luonnollisten putkilokasvien lehdet tuottavat auringonvalon voimalla tonneittain puhdasta vettä osmoottisen paineen, haihtumisen ja erityksen erojen avulla. Tämän innoittamana Chun Lin ryhmän tutkijat Qinghuan yliopistossa ovat raportoineet auringonvalolla toimivasta puhdistimesta tehokkaaseen vedenpuhdistukseen ja -tuotantoon. Tässä auringonvalolla toimivassa puhdistimessa on negatiiviseen lämpötilaan reagoiva poly(N-isopropyyliakryyliamidi)hydrogeeli (PN), joka on ankkuroitu superhydrofiiliseen melamiinivaahtorunkoon ja päällystetty PNIPAm-modifioidulla grafeenisuodattimella (PG). Molekyylidynamiikan simulaatiot ja kokeelliset tulokset osoittivat, että suhteellisen jäykän melamiinirungon superhydrofiilinen luonne kiihdytti merkittävästi PNPG-F-puhdistimen turpoamis-/sulaantumisnopeutta. Samalla auringonvalon säteilytysintensiteetillä tämä rationaalisesti suunniteltu rakenne keräsi 4.2 kg/m2/h vettä ja poisti yli 99 % ioneja yksittäisestä PNPG-F-yksiköstä suolaliuoksesta haihtumisen ja tiputuksen synergististen vaikutusten kautta. Kirjoittaja näkee tälle erittäin tehokkaalle auringonvalolla toimivalle järjestelmälle suuria potentiaalisia sovelluksia erilaisissa vedenkäsittelysovelluksissa. Tutkimus julkaistiin Nature-lehden alalehdessä Nature Communications artikkelissa nimeltä ”Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production”.
- Tieteen edistysaskel: Erittäin hydratoituvat valoa absorboivien hydrogeelien polymeeriverkostot aurinkoveden puhdistamiseen
Aurinkoenergian veden haihdutus vedenpuhdistukseen on lupaava tekniikka makean veden tuotannossa. Auringon höyryntuotanto on kuitenkin energiaintensiivistä, mikä johtaa alhaiseen vedentuotantoon luonnollisessa päivänvalossa. Siksi on suuri tarve kehittää uusia materiaaleja, jotka voivat vähentää veden haihtumisen energian tarvetta ja nopeuttaa aurinkoveden puhdistusta. Professori Guihua Yun ryhmä Austinissa, Texasissa, USA:ssa raportoi erittäin hydratoidusta valoa absorboivasta hydrogeelistä (h-LAH), joka koostuu polyvinyylialkoholista ja kitosaanista hydraation rungosta ja polypyrrolista valon absorboijana, joka voi käyttää vähemmän energiaa (< 50 % veden tilavuudesta) veden haihduttamiseen. Osoitettiin, että h-LAH:n hydraatiokapasiteetin lisääminen voi muuttaa veden tilaa ja aktivoida vettä osittain, mikä helpottaa veden haihtumista. h-LAH lisäsi aurinkohöyryn tuotantoa ennätysnopeuteen ~3.6 kg/m2/h yhdessä auringossa. h-LAH-pohjainen aurinkoveden haihdutus osoitti myös pitkäaikaista kestävyyttä ja antifouling-ominaisuuksia monimutkaisia ionisia epäpuhtauksia vastaan. Tutkimus julkaistiin Science-julkaisussa Science Advances -julkaisussa "Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production".
- Angew: COF-materiaalit, joilla on superhydrofiilisyys ja laaja aallonpituus valon absorptio fototermiseen veden haihduttamiseen
Huokoisten orgaanisten polymeerien luontainen hydrofobisuus ja rajoitettu valon absorptio erityisesti lähi-infrapuna-alueella (NIR) ovat kaksi pullonkaulaa, jotka estävät niiden käytön aurinkohöyryn tuotannossa (SSG). Jilinin yliopiston Xiaoli Yanin ryhmän tutkijat ovat kehittäneet kovalenttisen orgaanisen rungon (COF), joka perustuu 1,4,5,8-tetrakis(fenyyliamino)antraseeni-9,10-dioniin (TPAD) (TPAD-COF), jolle on ominaista superhydrofiilisyys ja laaja valon absorptio, joka kattaa SSG:n koko UV/näkyvältä alueelta. TPAD-COF on tehokas fototerminen konversiomateriaali ilman lisäaineita, ja se haihtuu erinomaisesti 1.42 kg/m2/h ja saavuttaa korkean 94 %:n energian muunnostehokkuuden yhdellä auringon intensiteetin säteilytyksellä. TPAD-pohjaisen COF-valon absorptioalueen lisälaajennus saavutettiin kelatoituneiden BF2-molekyylien synteettisellä modifioinnilla. Systemaattiset kontrollikokeet ja -analyysit vahvistavat, että fototermisen konversiomateriaalin hydrofiilisyydellä on hallitsevampi rooli nykyisissä TPAD-pohjaisissa COF:issa, joita käytetään fototermiseen veden haihduttamiseen. Tutkimustyö, nimeltään "Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation", julkaistiin huipputason kansainvälisessä lehdessä Angewise. Teos julkaistiin kansainvälisessä huippulehdessä Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: Hydrofiilis-hydrofobinen kaksialueinen COF/grafeenihydrogeeli fototermiseen veden haihduttamiseen
Aurinkoenergian veden haihdutus on kestävä vedenkäsittelyteknologia, joka voi auttaa lievittämään globaalia vesipulaa. Tämä tekniikka on kuitenkin suurten haasteiden edessä korkean energiankulutuksen ja veden haihtumisen alhaisen haihtumisnopeuden vuoksi. Professori Arne Thomasin ryhmä Berliinin teknisestä yliopistosta Saksassa raportoi kovalenttisesta orgaanisesta rungosta (COF)/grafeenin kaksoisaluehydrogeelistä, joka sisältää sekä hydrofiilisiä että hydrofobisia alueita yhdessä materiaalissa yksinkertaisen in situ -kasvustrategian avulla. Hydrofiilinen COF kattaa osan hydrofobisesta grafeenialueesta. Kahden kostutusalueen tarkalla ohjauksella hybridihydrogeelillä on tehokas valonkorjuu, säädettävä kostuvuus, optimoitu vesipitoisuus ja pienempi veden haihduttamisen energiatarve. Auringon absorboijana kaksialueinen hydrogeeli saavuttaa jopa 3.69 kg/m2/h höyrynmuodostusnopeuden yhdellä aurinkosäteilyllä (1kw/m1), mikä on verrattavissa muihin edistyksellisiin materiaaleihin. Lisäksi tätä hydrogeelihaihdutinta voidaan käyttää juomaveden tuottamiseen merivedestä ja jätevedestä, mikä osoittaa vedenkäsittelyn mahdollisuudet. Tutkimustyö julkaistiin JACS-lehdessä nimellä "A Kovalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation", JACS, kansainvälinen huippulehti.
- Tieteen edistysaskel: lumpeen terän rakenteesta inspiroitu erittäin tehokas fototerminen veden höyrystin
Viime vuosina rajapintojen aurinkohöyryntuotanto on osoittanut suuria mahdollisuuksia saavuttaa korkea energian muunnostehokkuus suolanpoistossa ja jäteveden käsittelyssä. Suuria haihtumisnopeuksia ei kuitenkaan voida ylläpitää, koska likaa tai suolaa kertyy näennäisesti väistämättömältä aurinkoabsorberiin. Hajoaminen kiihtyy liuenneen aineen pitoisuuden kasvaessa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi Nanjingin yliopiston professori Jia Zhun ryhmä lumpeen lehtien rakenteesta inspiroituneena suunnitteli monivaiheisen rakenteen (WHS) fototermisen höyryn muunnoslaitteen, joka voi saavuttaa 80 % fototermisen muuntotehokkuuden, kun käsitellään 10 painoprosenttia suolavettä ja erittäin tiivistettyä jätevettä. fototerminen konversion tehokkuus ei laske merkittävästi erittäin väkevän suolaveden ja jäteveden käsittelyn aikana, ennen kuin haihtuminen on päättynyt (eli "nollapurkaus") ja pinta pysyy puhtaana. Työ julkaistiin Science Advancessa otsikolla "A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine".
- Nanoenergia: Molybdeenidisulfidi fototermiseen veden haihduttamiseen
Lifeng Wanin ryhmän tutkijat Deakinin yliopiston etumateriaalien instituutissa ovat kehittäneet sarjan siirtymämetallidisulfidi- ja typpirikkaita nitridiheterorakenteita aurinkoveden haihduttamiseen osittaisen kidemuutoksen avulla. Erityisesti näillä edistyneillä 2D-heterorakenteilla on parannettu spektraalinen absorptio infrapuna-alueella ja erinomainen kemiallinen stabiilius eri liuoksissa, kuten vedessä, hapoissa ja emäksissä. Vielä tärkeämpää on, että parannetun spektraalisen absorptiointensiteetin ja vähentyneen lämpöhäviön ansiosta MoS2-Mo5N6/melamiinivaahto (MF) -aurinkolämpölaitteella on korkea haihtumisnopeus (2.31 kg m-2h-1) ja konversiotehokkuus (106.6 %), jotka ovat 1.4 ja 4.7 kertaa korkeammat kuin MoS2/MF- ja MF/vesi-aurinkolämpölaitteilla. Tämä työ tarjoaa sarjan edistyneitä 2D-2D TMD-typpirikkaita nitridiheterorakenteita, joilla on erinomainen fototerminen suorituskyky aurinkoveden tuotantoon. Tämä työ julkaistiin Nano Energy -lehdessä, kansainvälisessä huippulehdessä, nimellä ”Advanced 2D-2D heterostructures of transition metal dichalcogenides and nitrogen-rich nitrides for solar water generation”.
Aurinkoenergian fototermisen veden haihdutustekniikan odotetaan ratkaisevan maailmanlaajuisen puhtaan veden puutteen, nyt on ratkaistava fototermisten materiaalien edullinen valmistus, korkea hyötysuhde sekä käytön vakaus ja siirrettävyys käytännön sovellutusympäristöissä, odotamme lisää tuloksia tulevaisuudessa koko ihmiskunnan hyödyksi!
Lisätietoja melamiinivaahdosta saat ottamalla meihin yhteyttä sähköpostitse osoitteeseen [email protected] tai soittamalla numeroon +86-28-8411-1861.
Osa kuvista ja teksteistä on kopioitu Internetistä, ja tekijänoikeudet kuuluvat alkuperäiselle tekijälle. Jos rikkomuksia ilmenee, ota meihin yhteyttä poistaaksesi.