L'escassetat d'aigua dolça és un repte cada cop més seriós per al desenvolupament social. S'informa que el 29% de la població mundial no té aigua potable segura i la demanda d'aigua neta encara augmenta a causa del creixement de la població i dels problemes ambientals. L'aigua neta associada al sanejament és especialment important en el context de l'actual brot de la malaltia del coronavirus (pneumònia per neocoronavirus). L'evaporació de l'aigua amb energia solar es considera una de les tecnologies més prometedores per produir aigua neta a partir d'aigua de mar i aigües residuals utilitzant la llum solar com a única entrada d'energia. La tecnologia depèn en gran mesura dels absorbents solars, que actuen com a evaporadors per convertir l'energia solar en calor per produir vapor. Per aconseguir altes taxes d'evaporació de l'aigua i eficiències de conversió de calor solar, el material ideal hauria de tenir una àmplia gamma d'absorbància per utilitzar de manera eficient una gran part de l'espectre solar, baixa conductivitat tèrmica per suprimir la pèrdua de calor i canals porosos tridimensionals (3D) per a un transport eficient de l'aigua. Fins ara, els científics han desenvolupat diversos materials fototèrmics basats en carboni (per exemple, grafè o nanotubs de carboni), polímers, metalls i òxids metàl·lics i els seus híbrids, etc.
Els científics han estat treballant dur per explorar i fer molts avenços en els últims anys, així que aprenem de diverses publicacions d'actualitat sobre el progrés de la investigació en la generació d'aigua neta fototèrmica en els darrers anys.
- Comunicacions de la natura: les fulles de les plantes inspiren un purificador d'aigua d'alta eficiència que funciona amb energia solar
Les fulles de les plantes vasculars naturals depenen de les diferències en la pressió osmòtica, la transpiració i l'excreció per produir tones d'aigua neta, impulsades per la llum solar. Inspirats per això, investigadors del grup de Chun Li a la Universitat de Qinghua han publicat un purificador impulsat per la llum solar per a una purificació i producció d'aigua eficient. Aquest purificador impulsat per la llum solar presenta un hidrogel de poli(N-isopropilacrilamida) (PN) sensible a la temperatura negativa ancorat en una cadena principal d'escuma de melamina superhidròfila i recobert amb una membrana de filtre de grafè (PG) modificat amb PNIPAm a l'exterior. Les simulacions de dinàmica molecular i els resultats experimentals van mostrar que la naturalesa superhidròfila de la cadena principal de melamina relativament rígida va accelerar significativament la taxa d'inflamació/desinflamació del purificador PNPG-F. Sota la mateixa irradiació d'intensitat de llum solar, aquesta estructura dissenyada racionalment va proporcionar una recollida de 4.2 kg/m2/h i una eliminació d'ions > 99% per a un sol PNPG-F d'una alimentació de salmorra a través dels efectes sinèrgics de l'evaporació i l'addició per degoteig. L'autor preveu grans aplicacions potencials per a aquest sistema impulsat per la llum solar altament eficient en diverses aplicacions de tractament d'aigua. L'estudi es va publicar com a article titulat "Plant leaves inspired sunlight-driven purificator for high-efficiency clean water production" a la subrevista Nature Communications.
- Avenços científics: xarxes de polímers altament hidratables d'hidrogels que absorbeixen la llum per a la purificació d'aigua solar
L'evaporació solar d'aigua per a la purificació d'aigua és una tecnologia prometedora per a la producció d'aigua dolça. No obstant això, la generació de vapor solar consumeix energia, el que resulta en una baixa producció d'aigua sota la llum natural. Per tant, hi ha una gran necessitat de desenvolupar nous materials que puguin reduir la demanda d'energia per a l'evaporació de l'aigua i accelerar la purificació solar de l'aigua. El grup del professor Guihua Yu a Austin, Texas, EUA, va informar d'un hidrogel que absorbeix la llum (h-LAH) altament hidratat compost d'alcohol polivinílic i quitosà com a columna vertebral d'hidratació i polipirrol com a absorbent de llum, que pot utilitzar menys energia (< 50% del volum d'aigua) per evaporar l'aigua. Es va demostrar que augmentar la capacitat d'hidratació de l'h-LAH pot canviar l'estat de l'aigua i activar parcialment l'aigua, facilitant així l'evaporació de l'aigua. h-LAH va augmentar la producció de vapor solar fins a una taxa rècord de ~ 3.6 kg/m2/h en 1 sol. L'evaporació de l'aigua solar basada en h-LAH també va mostrar una durabilitat a llarg termini i propietats antifouling contra contaminants iònics complexos. La investigació es va publicar en un article titulat "Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production" a la revista Science Advances.
- Angew: materials COF amb superhidrofilia i absorció de llum de longitud d'ona àmplia per a l'evaporació d'aigua fototèrmica
La hidrofobicitat inherent i l'absorció limitada de llum dels polímers orgànics porosos, especialment a la regió de l'infraroig proper (NIR), són dos colls d'ampolla que dificulten la seva aplicació en la generació de vapor solar (SSG). Els investigadors del grup de Xiaoli Yan a la Universitat de Jilin han desenvolupat un marc orgànic covalent (COF) basat en 1,4,5,8 tetrakis (fenilamino) antracè-9,10-diona (TPAD) (TPAD-COF), que es caracteritza per una superhidrofilia i una àmplia absorció de llum que cobreix SSG de tota la regió UV/visible NIR. TPAD-COF, com a material de conversió fototèrmica eficient sense cap additiu, presenta una excel·lent evaporació d'aigua d'1.42 kg/m2/h i aconsegueix una alta eficiència de conversió d'energia del 94% sota una irradiació d'intensitat solar. Es va aconseguir una extensió més del rang d'absorció de llum COF basat en TPAD mitjançant la modificació post-sintètica de molècules BF2 quelates. Els experiments i anàlisis de control sistemàtic confirmen que la hidrofilicitat del material de conversió fototèrmica té un paper més dominant en els COF actuals basats en TPAD utilitzats per a l'evaporació d'aigua fototèrmica. El treball de recerca, titulat "Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation", es va publicar a la revista internacional de primer nivell Angewise. El treball es va publicar a la principal revista internacional Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: hidrogel hidrofílic-hidrofòbic de doble regió COF/grafè per a l'evaporació d'aigua fototèrmica
L'evaporació solar d'aigua és una tecnologia de tractament d'aigua sostenible que pot ajudar a pal·liar l'escassetat global d'aigua. Tanmateix, aquesta tecnologia s'enfronta a grans reptes a causa de l'elevat consum d'energia i la baixa taxa d'evaporació de l'evaporació de l'aigua. El grup del professor Arne Thomas de la Universitat Tècnica de Berlín, Alemanya, informa d'un hidrogel de doble regió de marc orgànic covalent (COF)/grafè que conté regions hidròfiles i hidrofòbiques en un sol material mitjançant una senzilla estratègia de creixement in situ. El COF hidròfil cobreix part de la regió hidrofòbica del grafè. Mitjançant un control precís de les dues regions d'humitat, l'hidrogel híbrid mostra una recollida de llum eficaç, una humectabilitat ajustable, un contingut d'aigua optimitzat i un requeriment d'energia reduït per a l'evaporació de l'aigua. Com a absorbent solar, l'hidrogel de doble regió aconsegueix una taxa de generació de vapor de fins a 3.69 kg/m2/h per a 1 irradiació solar (1kw/m2), que és comparable a altres materials avançats. A més, aquest evaporador d'hidrogel es pot utilitzar per produir aigua potable a partir d'aigua de mar i aigües residuals, demostrant el potencial del tractament de l'aigua. El treball de recerca es va publicar a la revista JACS com "A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation", JACS, una revista internacional de primer nivell.
- Avenços científics: evaporador d'aigua fototèrmic d'alta eficiència inspirat en l'estructura de la fulla de nenúfar
En els últims anys, la generació de vapor solar interfacial ha demostrat un gran potencial per aconseguir una alta eficiència de conversió d'energia per a la dessalinització i el tractament d'aigües residuals. No obstant això, no es poden mantenir altes taxes d'evaporació a causa de l'aparent inevitable acumulació de contaminació o sal a l'absorbidor solar. La degradació s'accelera a mesura que augmenta la concentració de solut. Per abordar aquest problema, el grup del professor Jia Zhu a la Universitat de Nanjing, inspirat en l'estructura de les fulles de nenúfar, va dissenyar una estructura en diverses etapes (dispositiu de conversió de vapor fototèrmic d'estructura jeràrquica inspirada en nenúfars (WHS), que pot aconseguir un 80% d'eficiència de conversió fototèrmica quan es tracta el 10% en pes d'aigua salada altament concentrada i val la pena esmentar el 30% en pes d'aigua. l'eficiència de conversió fototèrmica no disminueix significativament durant el tractament de salmorra altament concentrada i aigües residuals fins que s'ha completat l'evaporació (és a dir, "descàrrega zero"), i la superfície es manté neta.
- Nanoenergia: disulfur de molibdè per a l'evaporació d'aigua fototèrmica
Investigadors del grup de Lifeng Wan a l'Institut de Materials Fronterers de la Universitat Deakin han desenvolupat una sèrie d'heteroestructures de nitrur riques en nitrogen i disulfur de metalls de transició per a l'evaporació solar d'aigua mitjançant transformació parcial de cristalls. En particular, aquestes heteroestructures 2D avançades presenten una absorció espectral millorada en el rang infraroig i una excel·lent estabilitat química en diferents solucions, incloent-hi aigua, àcids i bases. Més important encara, a causa de la intensitat d'absorció espectral millorada i la pèrdua de calor reduïda, el dispositiu solar tèrmic de MoS2-Mo5N6/ escuma de melamina (MF) presenta una alta taxa d'evaporació (2.31 kg m-2h-1) i una eficiència de conversió (106.6%), que són 1.4 i 4.7 vegades superiors a les dels dispositius solars de MoS2/MF i MF/aigua, respectivament. Aquest treball proporciona una sèrie d'heteroestructures avançades de nitrur riques en nitrogen (TMD) 2D-2D amb un excel·lent rendiment fototèrmic per a la generació solar d'aigua. Aquest treball s'ha publicat a Nano energy, una revista internacional de primer nivell, com a "Heteroestructures 2D-2D avançades de dichalcogenurs de metalls de transició i nitrids rics en nitrogen per a la generació d'aigua solar".
S'espera que la tecnologia d'evaporació d'aigua fototèrmica solar solucioni l'escassetat global d'aigua neta, el que s'ha de resoldre ara és la preparació de baix cost de materials fototèrmics, un funcionament d'alta eficiència, així com l'estabilitat i la portabilitat d'ús en entorns d'aplicació pràctica, esperant més resultats en el futur per al benefici primerenc de tota la humanitat!
Per obtenir més informació sobre l'escuma de melamina, poseu-vos en contacte amb nosaltres a [email protected] o per telèfon: +86-28-8411-1861.
Algunes imatges i textos es reprodueixen d'Internet i els drets d'autor pertanyen a l'autor original. Si hi ha alguna infracció, poseu-vos en contacte amb nosaltres per eliminar-la.