Mageveepuudus on ühiskonna arengule üha tõsisem väljakutse. On teatatud, et 29% maailma elanikkonnast puudub puhas joogivesi ning nõudlus puhta vee järele kasvab rahvastiku kasvu ja keskkonnaprobleemide tõttu. Sanitaartingimustega seotud puhas vesi on praeguse koronaviirushaiguse (neokoronaviiruse kopsupõletik) puhangu kontekstis eriti oluline. Päikeseenergial töötavat vee aurustamist peetakse üheks paljutõotavamaks tehnoloogiaks mereveest ja reoveest puhta vee tootmisel, kasutades ainsa energiasisendina päikesevalgust. Tehnoloogia tugineb suuresti päikese neelajatele, mis toimivad aurustitena, et muuta päikeseenergia soojuseks auru tootmiseks. Suure vee aurustumiskiiruse ja päikese soojuse muundamise efektiivsuse saavutamiseks peaks ideaalsel materjalil olema lai neeldumisvahemik, et tõhusalt kasutada suurt osa päikesespektrist, madal soojusjuhtivus soojuskao summutamiseks ja kolmemõõtmelised (3D) poorsed kanalid tõhusaks veetranspordiks. Seni on teadlased välja töötanud mitmesuguseid süsinikul põhinevaid fototermilisi materjale (nt grafeen või süsiniknanotorud), polümeere, metalle ja metallioksiide ning nende hübriide jne.
Teadlased on viimastel aastatel teinud kõvasti tööd, et uurida ja teha palju läbimurdeid, nii et õppigem mitmest aktuaalsest väljaandest viimaste aastate fototermilise puhta vee tootmise uuringute edenemise kohta.
- Loodussuhtlus: taimede lehed inspireerivad päikeseenergial töötavat ülitõhusat veepuhastajat
Looduslike soontaimede lehed toetuvad osmootse rõhu, transpiratsiooni ja eritumise erinevustele, et toota päikesevalguse jõul tonne puhast vett. Sellest inspireerituna on Chun Li rühma teadlased Qinghua ülikoolis avaldanud päikesevalgusel töötava puhasti tõhusaks vee puhastamiseks ja tootmiseks. See päikesevalgusel töötav puhasti sisaldab negatiivselt temperatuurile reageerivat polü(N-isopropüülakrüülamiid) hüdrogeeli (PN), mis on ankurdatud superhüdrofiilsele melamiinvahtkarkassile ja kaetud PNIPAm-modifitseeritud grafeenist (PG) filtermembraaniga. Molekulaardünaamika simulatsioonid ja eksperimentaalsed tulemused näitasid, et suhteliselt jäiga melamiinkarkassi superhüdrofiilne olemus kiirendas oluliselt PNPG-F puhasti paisumis-/paisumisalanemise kiirust. Sama päikesevalguse intensiivsusega kiirguse korral tagas see ratsionaalselt konstrueeritud struktuur 4.2 kg/m2/h kogumise ja > 99% ioonide eemaldamise ühe PNPG-F kohta soolvee söötmisest aurustamise ja tilgutamise sünergistlike efektide kaudu. Autor näeb selle ülitõhusa päikesevalgusel töötava süsteemi jaoks suuri potentsiaalseid rakendusi erinevates veetöötlusrakendustes. Uuring avaldati ajakirja Nature alamväljaandes Nature Communications artiklina pealkirjaga „Taimelehtedest inspireeritud päikesevalgusel põhinev puhastaja suure tõhususega puhta vee tootmiseks“.
- Teaduse edusammud: valgust neelavate hüdrogeelide väga hüdreeritavad polümeervõrgud päikesevee puhastamiseks
Päikesevee aurustamine vee puhastamiseks on magevee tootmiseks paljulubav tehnoloogia. Päikeseauru tootmine on aga energiamahukas, mille tulemuseks on vähene vee tootmine loomulikus päevavalguses. Seetõttu on suur vajadus välja töötada uusi materjale, mis suudaksid vähendada vee aurustamise energiavajadust ja kiirendada päikeseenergia vee puhastamist. Professor Guihua Yu rühm Austinis, Texas, USA, teatas kõrgelt hüdreeritud valgust neelavast hüdrogeelist (h-LAH), mis koosneb polüvinüülalkoholist ja kitosaanist kui hüdratatsioonist ja polüpürroolist kui valguse neeldumisest, mis võib vee aurustamiseks kasutada vähem energiat (< 50% vee mahust). Näidati, et h-LAH hüdratatsioonivõime suurendamine võib muuta vee olekut ja osaliselt aktiveerida vett, hõlbustades seeläbi vee aurustumist. h-LAH suurendas päikeseaurude tootmist rekordilise kiiruseni ~3.6 kg/m2/h ühe päikesega. h-LAH-põhine päikesevee aurustamine näitas ka pikaajalist vastupidavust ja saastumisvastaseid omadusi keeruliste ioonsete saasteainete vastu. Uuring avaldati ajakirjas Science väljaandes Science Advances ilmunud artiklis pealkirjaga "Taimelehtedest inspireeritud päikesevalgusest juhitud puhasti tõhusaks puhta vee tootmiseks".
- Angew: superhüdrofiilsuse ja laia lainepikkusega valguse neeldumisega COF materjalid vee fototermiliseks aurustamiseks
Poorsete orgaaniliste polümeeride omane hüdrofoobsus ja piiratud valguse neeldumine, eriti lähi-infrapuna (NIR) piirkonnas, on kaks kitsaskohta, mis takistavad nende kasutamist päikeseauru genereerimisel (SSG). Jilini ülikooli Xiaoli Yani rühma teadlased on välja töötanud kovalentse orgaanilise raamistiku (COF), mis põhineb 1,4,5,8 tetrakis(fenüülamino)antraseen-9,10-dioonil (TPAD) (TPAD-COF), mida iseloomustab superhüdrofiilsus ja lai valguse neeldumine, mis katab kogu NIR-piirkonnast UV/nähtava SSG-d. TPAD-COF kui tõhus fototermiline muundusmaterjal ilma lisanditeta, näitab suurepärast vee aurustumist 1.42 kg/m2/h ja saavutab ühe päikesekiirguse intensiivsusega kiiritamise korral kõrge energia muundamise efektiivsuse 94%. TPAD-põhise COF-i valguse neeldumisvahemiku täiendav laiendamine saavutati kelaaditud BF2 molekulide sünteetilise modifitseerimise teel. Süstemaatilised kontrollkatsed ja analüüs kinnitavad, et fototermilise konversioonimaterjali hüdrofiilsus mängib praegustes TPAD-põhistes COF-ides, mida kasutatakse fototermilise vee aurustamiseks, domineerivamat rolli. Uurimistöö pealkirjaga "Superhüdrofiilsed 2D kovalentsed orgaanilised raamistikud kui lairibaabsorberid tõhusa päikeseauru genereerimiseks" avaldati kõrgeima taseme rahvusvahelises ajakirjas Angewise. Töö avaldati parimas rahvusvahelises ajakirjas Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: hüdrofiilne-hüdrofoobne kahe piirkonna COF/grafeenhüdrogeel vee fototermiliseks aurustamiseks
Päikeseenergia vee aurustamine on säästev veetöötlustehnoloogia, mis võib aidata leevendada ülemaailmset veepuudust. Kuid see tehnoloogia seisab silmitsi suurte väljakutsetega suure energiatarbimise ja vee aurustumise madala aurustumiskiiruse tõttu. Saksamaa Berliini Tehnikaülikooli prof Arne Thomase rühm teatas kovalentsest orgaanilisest raamistikust (COF) / grafeeni kahe piirkonnaga hüdrogeelist, mis sisaldab lihtsa in situ kasvustrateegia abil ühes materjalis nii hüdrofiilseid kui ka hüdrofoobseid piirkondi. Hüdrofiilne COF katab osa hüdrofoobsest grafeeni piirkonnast. Kahe niisutuspiirkonna täpse juhtimisega näitab hübriidhüdrogeel tõhusat valgust kogumist, reguleeritavat märguvust, optimeeritud veesisaldust ja vähendatud energiavajadust vee aurustamiseks. Päikeseabsorberina saavutab kahe piirkonnaga hüdrogeel auru tekkekiiruse kuni 3.69 kg/m2/h ühe päikesekiirguse (1kw/m1) korral, mis on võrreldav teiste täiustatud materjalidega. Lisaks saab seda hüdrogeeli aurustit kasutada mereveest ja kanalisatsioonist joogivee tootmiseks, mis näitab veepuhastuse potentsiaali. Uurimistöö avaldati ajakirjas JACS kui "Kovalent Organic Framework / Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation", JACS, rahvusvaheline tippajakiri.
- Teaduse edusammud: vesiroosi tera struktuurist inspireeritud ülitõhus fototermiline veeaurusti
Viimastel aastatel on pindadevaheline päikeseauru tekitamine näidanud suurt potentsiaali kõrge energia muundamise efektiivsuse saavutamiseks magestamise ja reoveepuhastuse jaoks. Kõrget aurustumiskiirust ei saa aga säilitada, kuna näiliselt vältimatu mustuse või soola kogunemine päikesekiirgusele. Lagunemine kiireneb, kui lahustunud aine kontsentratsioon suureneb. Selle probleemi lahendamiseks kavandas Nanjingi ülikooli prof Jia Zhu rühm vesiroosi lehtede struktuurist inspireerituna mitmeastmelise struktuuri (WHS) fototermilise auru muundamise seadme, mis võib saavutada 80% fototermilise muundamise efektiivsuse, kui töödeldakse 10 massiprotsenti soolast vett ja kõrgelt kontsentreeritud heitvett. fototermilise muundamise efektiivsus ei vähene märkimisväärselt kõrge kontsentratsiooniga soolvee ja reovee töötlemisel enne, kui aurustumine on lõppenud (st "nulllahendus") ja pind jääb puhtaks. Töö avaldati ajakirjas Science Advance pealkirja all "A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine".
- Nanoenergia: Molübdeendisulfiid fototermilise vee aurustamiseks
Deakini ülikooli piirimaterjalide instituudi Lifeng Wani rühma teadlased on välja töötanud rea siirdemetallide disulfiid- ja lämmastikurikast nitriidheterostruktuure päikeseenergiast vee aurustamiseks osalise kristallilise transformatsiooni teel. Eelkõige on nendel täiustatud 2D heterostruktuuridel parem spektraalne neeldumine infrapunakiirguse vahemikus ja suurepärane keemiline stabiilsus erinevates lahustes, sealhulgas vees, hapetes ja alustes. Veelgi olulisem on see, et tänu paremale spektraalse neeldumise intensiivsusele ja väiksemale soojuskadule on MoS2-Mo5N6/melamiinvahust ( MF) päikesetermilisel seadmel kõrge aurustumiskiirus (2.31 kg m-2h-1) ja konversioonitõhusus (106.6%), mis on vastavalt 1.4 ja 4.7 korda kõrgemad kui MoS2/MF ja MF/vesi päikeseenergial töötavatel seadmetel. See töö pakub rea täiustatud 2D-2D TMD-lämmastikurikkaid nitriidheterostruktuure, millel on suurepärane fototermiline jõudlus päikeseenergiast vee tootmiseks. See töö avaldati tipptasemel rahvusvahelises ajakirjas Nano Energy pealkirjaga „Siirdemetallide dikalkogeniidide ja lämmastikurikaste nitriidide täiustatud 2D-2D heterostruktuurid päikeseenergial põhineva vee tootmiseks“.
Päikeseenergia fototermilise vee aurustamise tehnoloogia peaks lahendama ülemaailmse puhta vee puuduse, praegu tuleb lahendada fototermiliste materjalide odav valmistamine, tõhus toimimine, samuti praktilistes rakenduskeskkondades kasutamise stabiilsus ja kaasaskantavus, mis loob tulevikus rohkem tulemusi kogu inimkonna kasuks!
Melamiinvahu kohta lisateabe saamiseks võtke meiega ühendust aadressil [email protected] või telefonil +86-28-8411-1861.
Mõned pildid ja tekstid on reprodutseeritud Internetist ning autoriõigused kuuluvad algsele autorile. Rikkumise korral võtke meiega kustutamiseks ühendust.