Svaiga ūdens trūkums ir arvien nopietnāks izaicinājums sociālajai attīstībai. Tiek ziņots, ka 29% pasaules iedzīvotāju trūkst droša dzeramā ūdens, un pieprasījums pēc tīra ūdens joprojām pieaug iedzīvotāju skaita pieauguma un vides problēmu dēļ. Tīrs ūdens, kas saistīts ar sanitāriju, ir īpaši svarīgs pašreizējā koronavīrusa slimības (neokoronavīrusa pneimonijas) uzliesmojuma kontekstā. Ar saules enerģiju darbināma ūdens iztvaikošana tiek uzskatīta par vienu no daudzsološākajām tehnoloģijām tīra ūdens iegūšanai no jūras ūdens un notekūdeņiem, izmantojot saules gaismu kā vienīgo enerģijas ievadi. Tehnoloģija lielā mērā balstās uz saules absorbētājiem, kas darbojas kā iztvaicētāji, lai pārvērstu saules enerģiju siltumā, lai iegūtu tvaiku. Lai sasniegtu augstu ūdens iztvaikošanas ātrumu un saules siltuma pārveidošanas efektivitāti, ideālajam materiālam jābūt ar plašu absorbcijas diapazonu, lai efektīvi izmantotu lielu saules spektra daļu, zemai siltumvadītspējai, lai novērstu siltuma zudumus, un trīsdimensiju (3D) porainiem kanāliem efektīvai ūdens transportēšanai. Līdz šim zinātnieki ir izstrādājuši dažādus fototermiskus materiālus, kuru pamatā ir ogleklis (piemēram, grafēns vai oglekļa nanocaurules), polimēri, metāli un metālu oksīdi un to hibrīdi utt.
Zinātnieki pēdējos gados ir smagi strādājuši, lai izpētītu un panāktu daudzus sasniegumus, tāpēc mācīsimies no vairākām aktuālām publikācijām par pētījumu progresu fototermiskā tīra ūdens ražošanā pēdējos gados.
- Dabas komunikācija: augu lapas iedvesmo ar saules enerģiju darbināmu augstas efektivitātes ūdens attīrītāju
Dabisko asinsvadu augu lapas, pateicoties osmotiskā spiediena, transpirācijas un izdalīšanās atšķirībām, ražo tonnām tīra ūdens, ko darbina saules gaisma. Iedvesmojoties no tā, Čuna Li grupas pētnieki Cjinhua universitātē ir ziņojuši par saules gaismas darbināmu attīrītāju efektīvai ūdens attīrīšanai un ražošanai. Šim saules gaismas darbināmajam attīrītājam ir negatīvi temperatūras ziņā reaģējošs poli(N-izopropilakrilamīda) hidrogels (PN), kas nostiprināts uz superhidrofila melamīna putu pamatnes un ārpusē pārklāts ar PNIPAm modificētu grafēna (PG) filtra membrānu. Molekulārās dinamikas simulācijas un eksperimentālie rezultāti parādīja, ka relatīvi stingrā melamīna pamatnes superhidrofilā daba ievērojami paātrina PNPG-F attīrītāja uzbriešanas/atbriešanas ātrumu. Ar tādu pašu saules gaismas intensitātes apstarošanu šī racionāli konstruētā struktūra nodrošināja 4.2 kg/m2/h savākšanu un > 99% jonu noņemšanu vienam PNPG-F no sālsūdens padeves, izmantojot iztvaikošanas un pilināšanas pievienošanas sinerģisko efektu. Autors paredz lielu potenciālu pielietojumu šai ļoti efektīvajai saules gaismas darbināmajai sistēmai dažādos ūdens attīrīšanas pielietojumos. Pētījums tika publicēts žurnāla Nature apakšžurnālā Nature communications kā raksts ar nosaukumu “Augu lapu iedvesmots saules gaismas vadīts attīrītājs augstas efektivitātes tīra ūdens ražošanai”.
- Zinātnes sasniegumi: ļoti hidratējami gaismu absorbējošu hidrogēlu polimēru tīkli saules ūdens attīrīšanai
Saules ūdens iztvaicēšana ūdens attīrīšanai ir daudzsološa saldūdens ražošanas tehnoloģija. Tomēr saules tvaiku ģenerēšana ir energoietilpīga, kā rezultātā dabiskā dienasgaismā ūdens ražošana ir zema. Tāpēc ir ļoti nepieciešams izstrādāt jaunus materiālus, kas varētu samazināt enerģijas pieprasījumu ūdens iztvaicēšanai un paātrināt saules ūdens attīrīšanu. Profesora Guihua Yu grupa Ostinā, Teksasā, ASV, ziņoja par ļoti hidratētu gaismu absorbējošu hidrogēlu (h-LAH), kas sastāv no polivinilspirta un hitozāna kā hidratācijas mugurkaula un polipirola kā gaismas absorbētāja, kas var izmantot mazāk enerģijas (<50% no ūdens tilpuma), lai iztvaicētu ūdeni. Tika pierādīts, ka h-LAH hidratācijas jaudas palielināšana var mainīt ūdens stāvokli un daļēji aktivizēt ūdeni, tādējādi veicinot ūdens iztvaikošanu. h-LAH palielināja saules tvaiku ražošanu līdz rekordlielam ātrumam ~ 3.6 kg/m2/h 1 saulē. Saules ūdens iztvaikošana, kuras pamatā ir h-LAH, uzrādīja arī ilgtermiņa izturību un pretapaugšanas īpašības pret sarežģītiem jonu piesārņotājiem. Pētījums tika publicēts Zinātnes apakšžurnālā Science Advances rakstā “Augu lapas iedvesmoja saules gaismas vadītu attīrītāju augstas efektivitātes tīra ūdens ražošanai”.
- Angew: COF materiāli ar superhidrofilitāti un plaša viļņa garuma gaismas absorbciju fototermiskai ūdens iztvaicēšanai
Porainu organisko polimēru raksturīgā hidrofobitāte un ierobežotā gaismas absorbcija, īpaši tuvu infrasarkanajā (NIR) reģionā, ir divi šķēršļi, kas kavē to izmantošanu saules tvaika ražošanā (SSG). Pētnieki Xiaoli Yan grupā Jilin universitātē ir izstrādājuši kovalento organisko sistēmu (COF), kuras pamatā ir 1,4,5,8 tetrakis(fenilamino)antracēna-9,10-dions (TPAD) (TPAD-COF), kam raksturīga superhidrofilitāte un plaša gaismas absorbcija, kas aptver SSG no visa NIR UV/redzama reģiona. TPAD-COF, kā efektīvs fototermiskās konversijas materiāls bez jebkādām piedevām, uzrāda izcilu ūdens iztvaikošanu 1.42 kg/m2/h un sasniedz augstu enerģijas pārveidošanas efektivitāti 94% vienā saules intensitātes apstarošanas laikā. Papildu TPAD bāzes COF gaismas absorbcijas diapazona paplašinājums tika panākts ar helātu BF2 molekulu pēcsintētisku modifikāciju. Sistemātiski kontroles eksperimenti un analīze apstiprina, ka fototermiskā konversijas materiāla hidrofilitātei ir lielāka loma pašreizējos uz TPAD balstītajos COF, ko izmanto fototermiskā ūdens iztvaicēšanai. Pētījums ar nosaukumu “Superhidrofili2D kovalentie organiskie ietvari kā platjoslas absorbētāji efektīvai saules tvaika ģenerēšanai” tika publicēts augstākā līmeņa starptautiskajā žurnālā Angewise. Darbs tika publicēts labākajā starptautiskajā žurnālā Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: hidrofils-hidrofobs divu reģionu COF/grafēna hidrogēls fototermālai ūdens iztvaicēšanai
Saules ūdens iztvaikošana ir ilgtspējīga ūdens attīrīšanas tehnoloģija, kas var palīdzēt mazināt globālo ūdens trūkumu. Tomēr šī tehnoloģija saskaras ar lielām problēmām augstā enerģijas patēriņa un zemā ūdens iztvaikošanas ātruma dēļ. Prof. Arne Thomas grupa no Berlīnes Tehniskās universitātes, Vācijā, ziņo par kovalento organisko ietvaru (COF)/grafēna divu reģionu hidrogēlu, kas satur gan hidrofilus, gan hidrofobus reģionus vienā materiālā, izmantojot vienkāršu in situ augšanas stratēģiju. Hidrofilais COF aptver daļu no hidrofobā grafēna reģiona. Precīzi kontrolējot abus mitrināšanas reģionus, hibrīda hidrogēls parāda efektīvu gaismas novākšanu, regulējamu mitrināšanu, optimizētu ūdens saturu un samazinātu enerģijas patēriņu ūdens iztvaicēšanai. Divu reģionu hidrogēls kā saules absorbētājs sasniedz tvaiku veidošanās ātrumu līdz 3.69 kg/m2/h 1 saules starojuma reizē (1kw/m2), kas ir salīdzināms ar citiem progresīviem materiāliem. Turklāt šo hidrogēla iztvaicētāju var izmantot dzeramā ūdens iegūšanai no jūras ūdens un notekūdeņiem, demonstrējot ūdens attīrīšanas potenciālu. Pētījuma darbs tika publicēts žurnālā JACS kā “Kovalentais organiskais ietvars/Grafēna divu reģionu hidrogels uzlabotai saules enerģijas ražošanai”, JACS, vadošais starptautiskais žurnāls.
- Zinātnes sasniegumi: ūdensrozes asmeņu struktūras iedvesmots augstas efektivitātes fototermiskais ūdens iztvaicētājs
Pēdējos gados saules tvaiku veidošanās saskarnē ir parādījusi lielu potenciālu, lai sasniegtu augstu enerģijas pārveidošanas efektivitāti atsāļošanai un notekūdeņu attīrīšanai. Tomēr augstu iztvaikošanas ātrumu nevar uzturēt, jo uz saules absorbētāja šķietami neizbēgami uzkrājas netīrumi vai sāls. Degradācija tiek paātrināta, palielinoties izšķīdušās vielas koncentrācijai. Lai risinātu šo problēmu, prof. Jia Zhu grupa Nanjingas Universitātē, iedvesmojoties no ūdensrozes lapu struktūras, izstrādāja daudzpakāpju struktūru (Ūdensrozes iedvesmota hierarhiskā struktūra (WHS)) fototermiskās tvaika pārveidošanas ierīci, kas var sasniegt 80% fototermiskās konversijas efektivitāti, apstrādājot 10 masas % no ļoti koncentrēta notekūdeņu. fototermiskās konversijas efektivitāte ievērojami nesamazinās, kamēr iztvaikošana nav pabeigta (ti, “nulles izplūde”), un virsma paliek tīra. Darbs tika publicēts žurnālā Science Advance ar nosaukumu “A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine”.
- Nanoenerģija: Molibdēna disulfīds ūdens fototermiskai iztvaicēšanai
Pētnieki Lifen Wan grupā Deakin Universitātes Robežmateriālu institūtā ir izstrādājuši virkni pārejas metālu disulfīdu un slāpekli saturošu nitrīdu heterostruktūru saules ūdens iztvaikošanai, izmantojot daļēju kristālu transformāciju. Jo īpaši šīs progresīvās 2D heterostruktūras uzrāda uzlabotu spektrālo absorbciju infrasarkanajā diapazonā un lielisku ķīmisko stabilitāti dažādos šķīdumos, tostarp ūdenī, skābēs un bāzēs. Vēl svarīgāk ir tas, ka, pateicoties uzlabotajai spektrālās absorbcijas intensitātei un samazinātajiem siltuma zudumiem, MoS2-Mo5N6/ melamīna putu (MF) saules termiskā ierīce uzrāda augstu iztvaikošanas ātrumu (2.31 kg m-2h-1) un konversijas efektivitāti (106.6%), kas ir attiecīgi 1.4 un 4.7 reizes augstāki nekā MoS2/MF un MF/ūdens saules ierīcēm. Šis darbs nodrošina virkni progresīvu 2D-2D TMD-slāpekli saturošu nitrīdu heterostruktūru ar izcilu fototermisko veiktspēju saules ūdens ražošanai. Šis darbs tika publicēts žurnālā Nano Energy, kas ir viens no vadošajiem starptautiskajiem žurnāliem, ar nosaukumu “Uzlabotas 2D-2D heterostruktūras no pārejas metālu dihalkogēnīdiem un slāpeklim bagātiem nitrīdiem saules ūdens ražošanai”.
Paredzams, ka saules fototermālā ūdens iztvaicēšanas tehnoloģija atrisinās globālo tīra ūdens trūkumu, tagad ir jāatrisina zemu izmaksu fototermisko materiālu sagatavošana, augstas efektivitātes darbība, kā arī lietošanas stabilitāte un pārnesamība praktiskās pielietošanas vidēs, cerot uz vairāk rezultātiem nākotnē visas cilvēces labā!
Lai iegūtu plašāku informāciju par melamīna putām, lūdzu, sazinieties ar mums pa e-pastu [email protected] vai pa tālruni: +86-28-8411-1861.
Daži attēli un teksti ir reproducēti no interneta, un autortiesības pieder sākotnējam autoram. Ja ir kāds pārkāpums, lūdzu, sazinieties ar mums, lai dzēstu.