Az édesvízhiány egyre komolyabb kihívást jelent a társadalmi fejlődés számára. A jelentések szerint a világ népességének 29%-a nem jut biztonságos ivóvízhez, és a tiszta víz iránti igény továbbra is növekszik a népességnövekedés és a környezeti problémák miatt. A higiéniai előírásokhoz kapcsolódó tiszta víz különösen fontos a koronavírus-betegség (Neocoronavirus tüdőgyulladás) jelenlegi kitörése kapcsán. A napenergiával működő vízpárologtatást az egyik legígéretesebb technológiának tekintik a tiszta víz tengervízből és szennyvízből történő előállítására, kizárólag napfényt használva. A technológia nagymértékben támaszkodik a napenergia-abszorberekre, amelyek elpárologtatóként működnek, és a napenergiát hővé alakítják gőz előállításához. A magas vízpárolgási sebesség és a napenergia hőátalakítási hatékonyságának eléréséhez az ideális anyagnak széles abszorpciós tartománnyal kell rendelkeznie a napspektrum nagy részének hatékony kihasználásához, alacsony hővezető képességgel a hőveszteség elnyomása érdekében, valamint háromdimenziós (3D) porózus csatornákkal a hatékony vízszállítás érdekében. A tudósok eddig különféle fototermikus anyagokat fejlesztettek ki szén (pl. grafén vagy szén nanocsövek), polimerek, fémek és fém-oxidok, valamint azok hibridjei stb. alapján.
A tudósok az elmúlt években keményen dolgoztak számos áttörés felfedezésén és elérésén, ezért ismerkedjünk meg számos aktuális publikációval a fototermikus tisztavíz-előállítás kutatásainak előrehaladásáról az elmúlt években.
- Nature Communications: A növényi levelek inspirálják a napenergiával működő, nagy hatékonyságú víztisztítót
A természetes edényes növények levelei az ozmotikus nyomás, a párologtatás és a kiválasztás különbségeire támaszkodva rengeteg tiszta vizet termelnek, a napfény energiájával. Ennek inspirációjaként Chun Li csoportjának kutatói a Qinghua Egyetemen egy napfény által vezérelt tisztítóról számoltak be, amely hatékony víztisztítást és -termelést tesz lehetővé. Ez a napfény által vezérelt tisztító egy negatív hőmérsékletre érzékeny poli(N-izopropil-akrilamid) hidrogélt (PN) tartalmaz, amely egy szuperhidrofil melamin hab gerincre van rögzítve, és kívülről egy PNIPAm-mal módosított grafén (PG) szűrőmembránnal van bevonva. A molekuladinamikai szimulációk és a kísérleti eredmények azt mutatták, hogy a viszonylag merev melamin gerinc szuperhidrofil jellege jelentősen felgyorsította a PNPG-F tisztító duzzadási/duzzadáscsökkentési sebességét. Azonos napfény-intenzitású besugárzás mellett ez a racionálisan megtervezett szerkezet 4.2 kg/m2/h összegyűjtést és > 99%-os ioneltávolítást biztosított egyetlen PNPG-F esetében a sóoldat-betáplálásból a párolgás és a csepegtetéses adagolás szinergikus hatásai révén. A szerző nagy potenciális alkalmazási lehetőségeket lát ebben a rendkívül hatékony napfény által vezérelt rendszerben a különböző vízkezelési alkalmazásokban. A tanulmány a Nature magazin Nature Communications alfolyóiratában jelent meg „Növényi levelek ihlette, napfény által vezérelt tisztító a nagy hatékonyságú tiszta víz előállításához” címmel.
- Tudományos előrelépések: Fényt elnyelő hidrogélek magas hidratáló képességű polimer hálózatai napenergia-víztisztításhoz
A napenergiával történő víztisztítási párologtatás ígéretes technológia az édesvíz előállítására. A napenergiával történő gőztermelés azonban energiaigényes, ami természetes fény alatt alacsony víztermelést eredményez. Ezért nagy szükség van olyan új anyagok kifejlesztésére, amelyek csökkenthetik a vízpárologtatás energiaigényét és felgyorsíthatják a napenergiával történő víztisztítást. Guihua Yu professzor Austinban (Texas, USA) dolgozó csoportja egy erősen hidratált, fényelnyelő hidrogelről (h-LAH) számolt be, amely polivinil-alkoholból és kitinból, mint hidratációs gerincből, és polipirrolból, mint fényelnyelőből áll, és kevesebb energiát (a víz térfogatának kevesebb mint 50%-át) használ fel a víz elpárologtatásához. Kimutatták, hogy a h-LAH hidratációs kapacitásának növelése megváltoztathatja a víz halmazállapotát és részlegesen aktiválhatja a vizet, ezáltal elősegítve a víz elpárolgását. A h-LAH rekordsebességre, ~3.6 kg/m2/h-ra növelte a napenergiával történő gőztermelést 1 nap alatt. A h-LAH alapú napenergiával történő vízpárologtatás hosszú távú tartósságot és komplex ionos szennyeződésekkel szembeni lerakódásgátló tulajdonságokat is mutatott. A kutatás a Science Advances című tudományos folyóiratban megjelent „Növényi levelek ihlette, napfény által vezérelt tisztítószer nagy hatékonyságú tisztavíz-termeléshez” című cikkben jelent meg.
- Angew: Szuperhidrofil és széles hullámhosszú fényelnyelésű COF anyagok fototermikus vízelpárologtatáshoz
A porózus szerves polimerek inherens hidrofóbicitása és korlátozott fényelnyelése, különösen a közeli infravörös (NIR) tartományban, két olyan szűk keresztmetszet, amely akadályozza alkalmazásukat a napenergia gőztermelésben (SSG). A Jilin Egyetem Xiaoli Yan csoportjának kutatói egy kovalens szerves vázat (COF) fejlesztettek ki, amely az 1,4,5,8-tetrakisz(fenilamino)antracén-9,10-dion (TPAD) (TPAD-COF) alapú, amelyet szuperhidrofilitás és széleskörű fényelnyelődés jellemez, amely az SSG-t lefedi a teljes UV/látható NIR tartományból. A TPAD-COF, mint hatékony fototermikus konverziós anyag, adalékanyagok nélkül, kiváló, 1.42 kg/m2/h vízelpárolgást mutat, és egyetlen napsugárzás intenzitása alatt 94%-os magas energiakonverziós hatásfokot ér el. A TPAD-alapú COF fényelnyelési tartományának további kiterjesztését a kelátkötésű BF2 molekulák szintetikus utómódosításával érték el. Szisztematikus kontrollkísérletek és elemzések megerősítik, hogy a fototermikus konverziós anyag hidrofilitása dominánsabb szerepet játszik a fototermikus vízpárologtatáshoz jelenleg használt TPAD-alapú COF-okban. A „Szuperhidrofil2D kovalens szerves vázak szélessávú abszorberekként a hatékony napenergia-gőztermeléshez” című kutatási munka az Angewise című vezető nemzetközi folyóiratban jelent meg. A munka a Angew. Chem. Int. Ed. című vezető nemzetközi folyóiratban jelent meg.
- JACS: Hidrofil-hidrofób kettős régiójú COF/grafén hidrogél fototermikus vízpárologtatáshoz
A napkollektoros vízpárologtatás egy fenntartható vízkezelési technológia, amely segíthet enyhíteni a globális vízhiányt. Ez a technológia azonban komoly kihívásokkal néz szembe a magas energiafogyasztás és a víz párolgása alacsony párolgási sebessége miatt. Arne Thomas professzor, a Berlini Műszaki Egyetem munkatársa egy kovalens szerves váz (COF)/grafén kettős régiójú hidrogelről számolt be, amely egy egyszerű in situ növekedési stratégiával hidrofil és hidrofób régiókat is tartalmaz egyetlen anyagban. A hidrofil COF a hidrofób grafén régió egy részét lefedi. A két nedvesítő régió pontos szabályozásával a hibrid hidrogel hatékony fénygyűjtést, hangolható nedvesíthetőséget, optimalizált víztartalmat és a víz párologtatásához szükséges csökkent energiaigényt mutat. Napenergia-elnyelőként a kettős régiójú hidrogel akár 3.69 kg/m2/h gőztermelési sebességet is elérhet 1 napsugárzás (1 kW/m2) esetén, ami összehasonlítható más fejlett anyagokkal. Ezenkívül ez a hidrogel párologtató ivóvíz előállítására is használható tengervízből és szennyvízből, ami demonstrálja a vízkezelésben rejlő lehetőségeket. A kutatási munka a JACS folyóiratban jelent meg „Kovalens szerves keretrendszer/grafén kettős régiójú hidrogél a fokozott napenergiával működő víztermeléshez” címmel, amely egy vezető nemzetközi folyóirat.
- Tudományos előrelépések: Tavirózsa pengeszerkezet ihlette nagy hatékonyságú fototermikus vízpárologtató
Az utóbbi években a határfelületi napenergia-gőztermelés nagy potenciált mutatott a sótalanítás és a szennyvíztisztítás magas energiakonverziós hatékonyságának elérésében. A magas párolgási sebesség azonban nem tartható fenn a napenergia-abszorberen látszólag elkerülhetetlen szennyeződés vagy só felhalmozódása miatt. A lebomlás felgyorsul az oldott anyag koncentrációjának növekedésével. A probléma megoldása érdekében Jia Zhu professzor csoportja a Nanjingi Egyetemen, a tavirózsa leveleinek szerkezete által inspirálva, egy többlépcsős szerkezetű (tavirózsa ihlette hierarchikus szerkezet (WHS)) fototermikus-gőz konverziós eszközt tervezett, amely 80%-os fototermikus konverziós hatékonyságot érhet el 10 tömeg% nagy koncentrációjú sós víz és 30 tömeg% szennyvíz kezelésekor. Érdemes megemlíteni, hogy a fototermikus konverziós hatékonyság nem csökken jelentősen a nagy koncentrációjú sóoldat és szennyvíz kezelése során, amíg a párolgás be nem fejeződik (azaz „nulla kibocsátás”), és a felület tiszta marad. A munka a Science Advance folyóiratban jelent meg „Tavirózsa ihlette hierarchikus tervezés a nagy sótartalmú sóoldat stabil és hatékony napkollektoros párologtatásához” címmel.
- Nanoenergia: Molibdén-diszulfid fototermikus vízpárologtatáshoz
Lifeng Wan csoportjának kutatói a Deakin Egyetem Határanyag-kutató Intézetében átmenetifém-diszulfid és nitrogénben gazdag nitrid heterostruktúrák sorozatát fejlesztették ki a napenergia felhasználásával történő vízelpárologtatáshoz részleges kristályátalakítás útján. Ezek a fejlett 2D heterostruktúrák különösen fokozott spektrális abszorpciót mutatnak az infravörös tartományban, és kiváló kémiai stabilitást különböző oldatokban, beleértve a vizet, savakat és bázisokat. Ami még fontosabb, a fokozott spektrális abszorpciós intenzitás és a csökkent hőveszteség miatt a MoS2-Mo5N6/ melaminhab (MF) napelemes termikus eszköz magas párolgási sebességet (2.31 kg m-2h-1) és konverziós hatásfokot (106.6%) mutat, amelyek 1.4-szer, illetve 4.7-szer magasabbak, mint a MoS2/MF, illetve az MF/víz napelemes eszközök eredményei. Ez a munka fejlett 2D-2D TMD-nitrogénben gazdag nitrid heterostruktúrák sorozatát biztosítja, amelyek kiváló fototermikus teljesítményt nyújtanak a napenergia felhasználásával történő víztermeléshez. Ez a munka a Nano Energy című, vezető nemzetközi folyóiratban jelent meg „Átmenetifém-dikalkogenidek és nitrogénben gazdag nitridek fejlett 2D-2D heterostruktúrái napenergia-termeléshez” címmel.
A napelemes fototermikus vízpárologtatási technológia várhatóan megoldja a tiszta víz globális hiányát. Amit most meg kell oldani, az a fototermikus anyagok alacsony költségű előállítása, a nagy hatékonyságú működés, valamint a gyakorlati alkalmazási környezetben való felhasználás stabilitása és hordozhatósága, a jövőben további eredményekre számítva az egész emberiség mielőbbi javára!
A melamin habbal kapcsolatos további információkért kérjük, vegye fel velünk a kapcsolatot a [email protected] e-mail címen , vagy telefonon a +86-28-8411-1861 telefonszámon.
Egyes képeket és szövegeket az internetről reprodukálnak, és a szerzői jogok az eredeti szerzőt illetik. Ha bármilyen jogsértést észlel, kérjük, lépjen kapcsolatba velünk a törlés érdekében.