Gėlo vandens trūkumas yra vis rimtesnis iššūkis socialinei raidai. Pranešama, kad 29% pasaulio gyventojų neturi saugaus geriamojo vandens, o švaraus vandens paklausa vis dar didėja dėl gyventojų skaičiaus augimo ir aplinkosaugos problemų. Švarus vanduo, susijęs su sanitarinėmis sąlygomis, yra ypač svarbus dabartinio koronavirusinės ligos (neokoronavirusinės pneumonijos) protrūkio kontekste. Saulės energija varomas vandens garinimas yra laikomas viena iš perspektyviausių technologijų švariam vandeniui iš jūros vandens ir nuotekų gaminti naudojant saulės šviesą kaip vienintelį energijos šaltinį. Ši technologija labai priklauso nuo saulės absorberių, kurie veikia kaip garintuvai, paverčiantys saulės energiją šiluma, kad susidarytų garai. Norint pasiekti aukštą vandens išgaravimo greitį ir saulės šilumos konversijos efektyvumą, ideali medžiaga turėtų turėti platų absorbcijos diapazoną, kad būtų efektyviai panaudota didelė saulės spektro dalis, mažas šilumos laidumas, kad būtų slopinami šilumos nuostoliai, ir trimačiai (3D) poringi kanalai efektyviam vandens transportavimui. Iki šiol mokslininkai sukūrė įvairių fototerminių medžiagų anglies pagrindu (pvz., grafeno ar anglies nanovamzdelių), polimerų, metalų ir metalų oksidų bei jų hibridų ir kt.
Pastaraisiais metais mokslininkai daug dirbo, kad ištirtų ir padarytų daug proveržių, todėl pasimokykime iš kelių aktualių publikacijų apie pastarųjų metų fototerminio švaraus vandens gamybos pažangą.
- Gamtos komunikacijos: augalų lapai įkvepia saulės energija varomą, didelio efektyvumo vandens valytuvą
Natūralių kraujagyslių augalų lapai, veikdami saulės šviesos pagalba, pasikliauja osmosinio slėgio, transpiracijos ir išskyrimo skirtumais, gamindami tonas švaraus vandens. Įkvėpti to, Čun Li grupės tyrėjai Činghua universitete pristatė saulės šviesa varomą valytuvą, skirtą efektyviam vandens valymui ir gamybai. Šis saulės šviesa varomas valytuvas turi neigiamos temperatūros pokyčiams jautrų poli(N-izopropilakrilamido) hidrogelį (PN), pritvirtintą prie superhidrofilinio melamino putplasčio pagrindo ir išorėje padengtą PNIPAm modifikuota grafeno (PG) filtro membrana. Molekulinės dinamikos modeliavimas ir eksperimentiniai rezultatai parodė, kad santykinai standaus melamino pagrindo superhidrofilinis pobūdis žymiai pagreitino PNPG-F valytuvo brinkimo/atbrinkimo greitį. Esant tokiam pačiam saulės šviesos intensyvumo apšvietimui, ši racionaliai suprojektuota konstrukcija užtikrino 4.2 kg/m2/h surinkimą ir > 99 % jonų pašalinimą iš vieno PNPG-F tirpalo iš sūrymo tiekimo dėl sinergetinio garinimo ir lašinimo efekto. Autorius numato didelį šios labai efektyvios saulės šviesa varomos sistemos pritaikymo potencialą įvairiose vandens valymo srityse. Tyrimas buvo paskelbtas žurnalo „Nature“ skiltyje „Nature communications“ kaip straipsnis pavadinimu „Augalų lapų įkvėptas saulės šviesos valdomas valytuvas didelio efektyvumo švaraus vandens gamybai“.
- Mokslo pažanga: labai drėkinami polimeriniai šviesą sugeriančių hidrogelių tinklai, skirti saulės vandens valymui
Saulės vandens garinimas vandeniui valyti yra perspektyvi gėlo vandens gamybos technologija. Tačiau saulės garų generavimas reikalauja daug energijos, todėl natūralioje dienos šviesoje vandens išgaunama mažai. Todėl labai reikia kurti naujas medžiagas, kurios galėtų sumažinti vandens išgarinimo energijos poreikį ir pagreitinti saulės vandens valymą. Profesoriaus Guihua Yu grupė Ostine, Teksase, JAV, pranešė apie labai hidratuotą šviesą sugeriantį hidrogelį (h-LAH), sudarytą iš polivinilo alkoholio ir chitozano kaip hidratacijos pagrindo ir polipirolio kaip šviesos sugėriklio, kuris gali sunaudoti mažiau energijos (< 50 % vandens tūrio) vandeniui išgarinti. Buvo įrodyta, kad padidinus h-LAH hidratacijos pajėgumą, galima pakeisti vandens būklę ir iš dalies suaktyvinti vandenį, taip palengvinant vandens išgaravimą. h-LAH padidino saulės garų gamybą iki rekordinio ~3.6 kg/m2/h 1 saulėje. h-LAH pagrindu sukurtas saulės vandens garinimas taip pat pasižymėjo ilgalaikiu patvarumu ir apsauga nuo užteršimo nuo sudėtingų joninių teršalų. Tyrimas buvo paskelbtas moksliniame žurnale „Science Advances“ paskelbtame straipsnyje „Augalų lapai įkvėpė saulės spindulių varomas valytuvas, skirtas didelio efektyvumo švaraus vandens gamybai“.
- Angew: COF medžiagos, pasižyminčios superhidrofiliškumu ir plačios bangos ilgio šviesos sugertimi fototerminiam vandens garinimui
Poringiems organiniams polimerams būdingas hidrofobiškumas ir ribota šviesos sugertis, ypač artimojo infraraudonųjų spindulių (NIR) regione, yra dvi kliūtys, trukdančios juos taikyti saulės garų generavimui (SSG). Jilino universiteto Xiaoli Yan grupės mokslininkai sukūrė kovalentinį organinį karkasą (COF), pagrįstą 1,4,5,8 tetrakis(fenilamino)antraceno-9,10-diono (TPAD) (TPAD-COF), kuriam būdingas superhidrofiliškumas ir plati šviesos sugertis, apimanti SSG iš viso NIR UV / matomo regiono. TPAD-COF, kaip efektyvi fototerminės konversijos medžiaga be jokių priedų, pasižymi puikiu 1.42 kg/m2/h vandens išgaravimu ir pasiekia aukštą 94 % energijos konversijos efektyvumą, kai apšvitinama saulės energija. Tolesnis TPAD pagrindu sukurto COF šviesos sugerties diapazono išplėtimas buvo pasiektas po sintetinio chelatinių BF2 molekulių modifikavimo. Sisteminiai kontrolės eksperimentai ir analizė patvirtina, kad fototerminės konversijos medžiagos hidrofiliškumas vaidina svarbesnį vaidmenį dabartiniuose TPAD pagrindu pagamintuose COF, naudojamuose fototerminiam vandens garinimui. Tyrimo darbas, pavadintas „Superhidrofiliniai 2D kovalentiniai organiniai karkasai kaip plačiajuosčio ryšio sugėrikliai efektyviam saulės garų generavimui“, buvo paskelbtas aukščiausio lygio tarptautiniame žurnale „Angewise“. Darbas buvo paskelbtas populiariausiame tarptautiniame žurnale Angew. Chem. Tarpt. Red.
- JACS: hidrofilinis-hidrofobinis dviejų regionų COF/grafeno hidrogelis fototerminiam vandens garinimui
Saulės vandens garinimas yra tvari vandens valymo technologija, galinti padėti sumažinti vandens trūkumą visame pasaulyje. Tačiau ši technologija susiduria su dideliais iššūkiais dėl didelio energijos suvartojimo ir mažo vandens garavimo greičio. Prof. Arne Thomas grupė iš Berlyno technikos universiteto (Vokietija) praneša apie kovalentinį organinį karkasą (COF) / grafeno dviejų regionų hidrogelį, kuriame vienoje medžiagoje yra ir hidrofilinių, ir hidrofobinių regionų, naudojant paprastą augimo strategiją in situ. Hidrofilinis COF apima dalį hidrofobinio grafeno srities. Tiksliai valdant dvi drėkinimo sritis, hibridinis hidrogelis pasižymi efektyviu šviesos nuėmimu, reguliuojamu drėkinamumu, optimizuotu vandens kiekiu ir mažesniu energijos poreikiu vandeniui išgaruoti. Dviejų regionų hidrogelis, kaip saulės sugėriklis, pasiekia iki 3.69 kg/m2/h garų susidarymo greitį 1 saulės apšvitinimui (1kw/m2), kuris yra panašus į kitas pažangias medžiagas. Be to, šis hidrogelio garintuvas gali būti naudojamas geriamam vandeniui gaminti iš jūros vandens ir nuotekų, o tai parodo vandens valymo galimybes. Tyrimo darbas buvo paskelbtas žurnale JACS kaip „Kovalentinis organinis karkasas / grafeno dviejų regionų hidrogelis, skirtas patobulintai saulės energijai gaminti“, JACS, geriausias tarptautinis žurnalas.
- Mokslo pažanga: vandens lelijos ašmenų struktūros įkvėptas didelio efektyvumo fototerminis vandens garintuvas
Pastaraisiais metais tarpfazinė saulės garų gamyba parodė didelį potencialą pasiekti aukštą energijos konversijos efektyvumą gėlinimo ir nuotekų valymo srityse. Tačiau didelio garavimo greičio išlaikyti nepavyks, nes ant saulės absorberio, atrodo, neišvengiamai susikaupia nešvarumų ar druskos. Skilimas pagreitėja, kai didėja tirpios medžiagos koncentracija. Kad išspręstų šią problemą, Nankino universiteto profesoriaus Jia Zhu grupė, įkvėpta vandens lelijos lapų struktūros, sukūrė daugiapakopę struktūrą (vandens lelijos įkvėptą hierarchinę struktūrą (WHS) fototerminės garų konversijos įrenginį, kuris gali pasiekti 80% fototerminės konversijos efektyvumą, kai išvaloma 10 masės% nuotekų ir labai koncentruoto vandens masė). fototerminės konversijos efektyvumas labai nesumažėja apdorojant labai koncentruotą sūrymą ir nuotekas, kol nebus baigtas išgaravimas (ty „nulinis išleidimas“), o paviršius išlieka švarus. Darbas buvo paskelbtas „Science Advance“ pavadinimu „A Water-lely-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine“.
- Nano energija: Molibdeno disulfidas fototerminiam vandens garinimui
Deakino universiteto Pasienio medžiagų instituto Lifengo Wano grupės tyrėjai sukūrė seriją pereinamųjų metalų disulfidų ir azoto prisotintų nitridų heterostruktūrų, skirtų saulės vandens garinimui taikant dalinę kristalinę transformaciją. Šios pažangios 2D heterostruktūros pasižymi padidinta spektrine sugertimi infraraudonųjų spindulių diapazone ir puikiu cheminiu stabilumu skirtinguose tirpaluose, įskaitant vandenį, rūgštis ir bazes. Dar svarbiau, kad dėl padidinto spektrinės sugerties intensyvumo ir sumažintų šilumos nuostolių MoS2-Mo5N6/ melamino putplasčio (MF) saulės šiluminis įrenginys pasižymi dideliu garavimo greičiu (2.31 kg m-2h-1) ir konversijos efektyvumu (106.6 %), kurie yra atitinkamai 1.4 ir 4.7 karto didesni nei MoS2/MF ir MF/vandens saulės įrenginių. Šiame darbe pateikiama serija pažangių 2D-2D TMD azoto prisotintų nitridų heterostruktūrų, pasižyminčių puikiomis fototerminėmis savybėmis saulės vandens gamybai. Šis darbas buvo paskelbtas „Nano energy“, pirmaujančiame tarptautiniame žurnale, pavadinimu „Pažangios pereinamųjų metalų dichalkogenidų ir azoto turtingų nitridų 2D-2D heterostruktūros saulės vandens generavimui“.
Tikimasi, kad saulės fototerminio vandens garinimo technologija išspręs pasaulinį švaraus vandens trūkumą, o tai, ką reikia išspręsti dabar, yra pigus fototerminių medžiagų paruošimas, didelio efektyvumo veikimas, taip pat naudojimo stabilumas ir perkeliamumas praktinio pritaikymo aplinkoje, tikimės, kad ateityje bus daugiau rezultatų, kurie bus naudingi visai žmonijai!
Norėdami gauti daugiau informacijos apie melamino putas, susisiekite su mumis el. paštu [email protected] arba telefonu: +86-28-8411-1861.
Kai kurios nuotraukos ir tekstai yra atgaminti iš interneto, o autorių teisės priklauso originaliam autoriui. Jei yra kokių nors pažeidimų, susisiekite su mumis, kad pašalintume.