تکنولوژی سیاه! وقتی خورشید می تابد، آب تمیز در دسترس است! این ماده شگفت انگیز را به شما نشان می دهیم!

کمبود آب شیرین به طور فزاینده‌ای یک چالش جدی برای توسعه اجتماعی است. گزارش شده است که ۲۹٪ از جمعیت جهان فاقد آب آشامیدنی سالم هستند و تقاضا برای آب تمیز به دلیل رشد جمعیت و مسائل زیست‌محیطی همچنان در حال افزایش است. آب تمیز مرتبط با بهداشت، به ویژه در زمینه شیوع فعلی بیماری کرونا (پنومونی نئوکروناویروس) اهمیت دارد. تبخیر آب با انرژی خورشیدی یکی از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌ها برای تولید آب تمیز از آب دریا و فاضلاب با استفاده از نور خورشید به عنوان تنها ورودی انرژی در نظر گرفته می‌شود. این فناوری به شدت به جاذب‌های خورشیدی متکی است که به عنوان تبخیرکننده برای تبدیل انرژی خورشیدی به گرما برای تولید بخار عمل می‌کنند. برای دستیابی به نرخ بالای تبخیر آب و راندمان تبدیل گرمای خورشیدی، ماده ایده‌آل باید طیف وسیعی از جذب را برای استفاده کارآمد از بخش بزرگی از طیف خورشیدی، رسانایی حرارتی کم برای جلوگیری از اتلاف گرما و کانال‌های متخلخل سه‌بعدی (3D) برای انتقال کارآمد آب داشته باشد. تاکنون، دانشمندان مواد فوتوترمال مختلفی را بر اساس کربن (به عنوان مثال، گرافن یا نانولوله‌های کربنی)، پلیمرها، فلزات و اکسیدهای فلزی و هیبریدهای آنها و غیره توسعه داده‌اند.

دانشمندان در سال‌های اخیر سخت تلاش کرده‌اند تا اکتشافات زیادی انجام دهند و به پیشرفت‌های زیادی دست یابند، بنابراین بیایید از چندین نشریه معتبر در مورد پیشرفت تحقیقات در تولید آب تمیز فتوترمال در سال‌های اخیر بیاموزیم.

1. ارتباطات طبیعت: برگ‌های گیاهان الهام‌بخش تصفیه‌کننده آب با راندمان بالا و انرژی خورشیدی هستند

برگ‌های گیاهان آوندی طبیعی برای تولید تن‌ها آب تمیز، به تفاوت در فشار اسمزی، تعرق و دفع متکی هستند که با نور خورشید کار می‌کند. با الهام از این موضوع، محققان گروه چون لی در دانشگاه چینگهوا، یک تصفیه‌کننده مبتنی بر نور خورشید را برای تصفیه و تولید کارآمد آب گزارش کرده‌اند. این تصفیه‌کننده مبتنی بر نور خورشید دارای یک هیدروژل پلی (N-ایزوپروپیل‌آکریل‌آمید) (PN) با واکنش منفی به دما است که بر روی یک ستون فقرات فوم ملامین فوق آب‌دوست قرار گرفته و با یک غشای فیلتر گرافن (PG) اصلاح‌شده با PNIPAm در قسمت بیرونی پوشش داده شده است. شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی و نتایج تجربی نشان داد که ماهیت فوق آب‌دوست ستون فقرات ملامین نسبتاً سفت، سرعت تورم/تورم‌زدایی تصفیه‌کننده PNPG-F را به طور قابل توجهی تسریع می‌کند. تحت تابش شدت نور خورشید یکسان، این ساختار مهندسی‌شده منطقی، جمع‌آوری 4.2 کیلوگرم بر متر مربع در ساعت و حذف یون بیش از 99٪ را برای یک PNPG-F واحد از یک منبع آب نمک از طریق اثرات هم‌افزایی تبخیر و افزودن قطره فراهم می‌کند. نویسنده، کاربردهای بالقوه‌ی زیادی را برای این سیستم بسیار کارآمد مبتنی بر نور خورشید در کاربردهای مختلف تصفیه آب پیش‌بینی می‌کند. این مطالعه به صورت مقاله‌ای با عنوان «تصفیه‌کننده‌ی مبتنی بر نور خورشید با الهام از برگ‌های گیاه برای تولید آب تمیز با راندمان بالا» در مجله‌ی Nature subjournal Nature Communications منتشر شده است.

2. پیشرفت‌های علمی: شبکه‌های پلیمری بسیار آب‌دوست از هیدروژل‌های جاذب نور برای تصفیه آب خورشیدی

تبخیر آب خورشیدی برای تصفیه آب، یک فناوری امیدوارکننده برای تولید آب شیرین است. با این حال، تولید بخار خورشیدی انرژی‌بر است و در نتیجه تولید آب کم در زیر نور طبیعی روز انجام می‌شود. بنابراین، نیاز زیادی به توسعه مواد جدیدی وجود دارد که بتوانند تقاضای انرژی برای تبخیر آب را کاهش داده و تصفیه آب خورشیدی را تسریع کنند. گروه پروفسور گوییهوا یو در آستین، تگزاس، ایالات متحده، یک هیدروژل جاذب نور بسیار هیدراته (h-LAH) متشکل از پلی‌وینیل الکل و کیتوزان به عنوان ستون فقرات هیدراتاسیون و پلی پیرول به عنوان جاذب نور گزارش کردند که می‌تواند از انرژی کمتری (کمتر از 50٪ از حجم آب) برای تبخیر آب استفاده کند. نشان داده شد که افزایش ظرفیت هیدراتاسیون h-LAH ​​می‌تواند حالت آب را تغییر داده و تا حدی آب را فعال کند و در نتیجه تبخیر آب را تسهیل کند. h-LAH ​​تولید بخار خورشیدی را به میزان بی‌سابقه ~3.6 کیلوگرم بر متر مربع در ساعت در 1 روز افزایش داد. تبخیر آب خورشیدی مبتنی بر h-LAH ​​همچنین دوام طولانی مدت و خواص ضد رسوب در برابر آلاینده‌های یونی پیچیده را نشان داد. این تحقیق در مقاله‌ای با عنوان «تصفیه‌کننده‌ی نور خورشید با الهام از برگ‌های گیاه برای تولید آب تمیز با راندمان بالا» در مجله‌ی Science Subjournal Science Advances منتشر شد.

3. Angew: مواد COF با خاصیت فوق آب‌دوستی و جذب نور با طول موج وسیع برای تبخیر فوتوترمال آب

آبگریزی ذاتی و جذب نور محدود پلیمرهای آلی متخلخل، به ویژه در ناحیه نزدیک به مادون قرمز (NIR)، دو مانعی هستند که کاربرد آنها را در تولید بخار خورشیدی (SSG) مختل می‌کنند. محققان گروه شیائولی یان در دانشگاه جیلین یک چارچوب آلی کووالانسی (COF) بر اساس 1،4،5،8 تتراکیس (فنیل آمینو) آنتراسن-9،10-دیون (TPAD) (TPAD-COF) توسعه داده‌اند که با آب‌دوستی فوق‌العاده و جذب نور گسترده که SSG را از کل ناحیه UV/مرئی NIR پوشش می‌دهد، مشخص می‌شود. TPAD-COF، به عنوان یک ماده تبدیل فوتوترمال کارآمد بدون هیچ افزودنی، تبخیر آب عالی 1.42 کیلوگرم بر متر مربع بر ساعت را نشان می‌دهد و تحت تابش یک شدت خورشیدی به راندمان تبدیل انرژی بالایی معادل 94٪ دست می‌یابد. گسترش بیشتر محدوده جذب نور COF مبتنی بر TPAD با اصلاح پس از سنتز مولکول‌های کلات شده BF2 حاصل شد. آزمایش‌ها و تجزیه و تحلیل‌های کنترل سیستماتیک تأیید می‌کنند که آب‌دوستی ماده تبدیل فتوترمال نقش غالب‌تری در COF های مبتنی بر TPAD فعلی مورد استفاده برای تبخیر فتوترمال آب ایفا می‌کند. این کار تحقیقاتی با عنوان «چارچوب‌های آلی کووالانسی دوبعدی فوق آب‌دوست به عنوان جاذب‌های پهن‌باند برای تولید کارآمد بخار خورشیدی» در مجله بین‌المللی برتر Angewise منتشر شد. این اثر در مجله بین‌المللی برتر Angew. Chem. Int. Ed. منتشر شد.

4. JACS: هیدروژل COF/گرافن دو ناحیه‌ای آبدوست-آبگریز برای تبخیر آب فتوترمال

تبخیر آب خورشیدی یک فناوری پایدار تصفیه آب است که می‌تواند به کاهش کمبود آب جهانی کمک کند. با این حال، این فناوری به دلیل مصرف بالای انرژی و نرخ تبخیر پایین تبخیر آب با چالش‌های بزرگی روبرو است. گروه پروفسور آرنه توماس در دانشگاه فنی برلین، آلمان، یک هیدروژل دو ناحیه‌ای چارچوب آلی کووالانسی (COF)/گرافن را گزارش می‌دهند که شامل هر دو ناحیه آبدوست و آبگریز در یک ماده از طریق یک استراتژی رشد ساده درجا است. COF آبدوست بخشی از ناحیه گرافن آبگریز را پوشش می‌دهد. با کنترل دقیق دو ناحیه مرطوب، هیدروژل هیبریدی برداشت نور مؤثر، ترشوندگی قابل تنظیم، محتوای آب بهینه و نیاز انرژی کاهش یافته برای تبخیر آب را نشان می‌دهد. به عنوان یک جاذب خورشیدی، هیدروژل دو ناحیه‌ای به میزان تولید بخار تا 3.69 کیلوگرم بر متر مربع بر ساعت برای 1 تابش خورشیدی (1 کیلووات بر متر مربع) دست می‌یابد که قابل مقایسه با سایر مواد پیشرفته است. علاوه بر این، این تبخیرکننده هیدروژل می‌تواند برای تولید آب آشامیدنی از آب دریا و فاضلاب استفاده شود که پتانسیل تصفیه آب را نشان می‌دهد. این کار تحقیقاتی در مجله JACS با عنوان «یک چارچوب آلی کووالانسی/هیدروژل دو ناحیه‌ای گرافن برای تولید آب با هدایت خورشیدی پیشرفته»، JACS، یک مجله بین‌المللی برتر، منتشر شد.

5. پیشرفت‌های علمی: تبخیرکننده آب فتوترمال با راندمان بالا و الهام گرفته از ساختار تیغه‌های نیلوفر آبی

در سال‌های اخیر، تولید بخار خورشیدی بین سطحی پتانسیل بالایی در دستیابی به راندمان تبدیل انرژی بالا برای نمک‌زدایی و تصفیه فاضلاب نشان داده است. با این حال، به دلیل تجمع اجتناب‌ناپذیر رسوب یا نمک روی جاذب خورشیدی، نمی‌توان نرخ تبخیر بالا را حفظ کرد. با افزایش غلظت املاح، تخریب تسریع می‌شود. برای حل این مشکل، گروه پروفسور جیا ژو در دانشگاه نانجینگ، با الهام از ساختار برگ‌های نیلوفر آبی، یک دستگاه تبدیل بخار-فوتوترمال با ساختار چند مرحله‌ای (ساختار سلسله مراتبی الهام گرفته از نیلوفر آبی (WHS)) طراحی کردند که می‌تواند هنگام تصفیه 10 درصد وزنی آب نمک بسیار غلیظ و 30 درصد وزنی فاضلاب، به 80 درصد راندمان تبدیل فتوترمال دست یابد. شایان ذکر است که راندمان تبدیل فتوترمال در طول تصفیه آب نمک بسیار غلیظ و فاضلاب تا زمانی که تبخیر کامل نشود (یعنی "تخلیه صفر") و سطح تمیز باقی بماند، به طور قابل توجهی کاهش نمی‌یابد. این کار در مجله Science Advance با عنوان "طراحی سلسله مراتبی الهام گرفته از نیلوفر آبی برای تبخیر خورشیدی پایدار و کارآمد آب نمک با شوری بالا" منتشر شده است.

6. انرژی نانو: دی‌سولفید مولیبدن برای تبخیر آب فتوترمال

محققان گروه لیفنگ وان در موسسه مواد مرزی دانشگاه دیکین، مجموعه‌ای از هتروساختارهای دی‌سولفید فلزات واسطه و نیترید غنی از نیتروژن را برای تبخیر خورشیدی آب از طریق تبدیل کریستالی جزئی توسعه داده‌اند. به طور خاص، این هتروساختارهای پیشرفته دوبعدی، جذب طیفی بهبود یافته‌ای را در محدوده مادون قرمز و پایداری شیمیایی عالی را در محلول‌های مختلف، از جمله آب، اسیدها و بازها نشان می‌دهند. مهم‌تر از آن، به دلیل شدت جذب طیفی بهبود یافته و کاهش اتلاف گرما، دستگاه حرارتی خورشیدی MoS2-Mo5N6/ فوم ملامین (MF) نرخ تبخیر بالا (2.31 کیلوگرم بر متر مربع ساعت) و راندمان تبدیل (106.6٪) را نشان می‌دهد که به ترتیب 1.4 و 4.7 برابر بیشتر از دستگاه‌های خورشیدی MoS2/MF و MF/آب است. این کار مجموعه‌ای از هتروساختارهای پیشرفته نیترید غنی از نیتروژن TMDهای دوبعدی-دوبعدی با عملکرد فتوترمال عالی برای تولید آب خورشیدی ارائه می‌دهد. این اثر در مجله بین‌المللی Nano energy با عنوان «ساختارهای ناهمگن پیشرفته دوبعدی-دوبعدی دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه و نیتریدهای غنی از نیتروژن برای تولید آب خورشیدی» منتشر شد.

انتظار می‌رود فناوری تبخیر آب فتوترمال خورشیدی، کمبود جهانی آب پاک را حل کند، چیزی که اکنون باید حل شود، تهیه کم هزینه مواد فتوترمال، عملکرد با راندمان بالا و همچنین پایداری و قابلیت حمل استفاده در محیط‌های کاربردی عملی است، مشتاقانه منتظر نتایج بیشتر در آینده برای بهره‌مندی زودهنگام همه بشریت هستیم!

برای اطلاعات بیشتر در مورد فوم ملامین، لطفاً با ما از طریق ایمیل [email protected] یا با شماره تلفن +86-28-8411-1861 تماس بگیرید.

برخی از تصاویر و متون از اینترنت تکثیر شده اند و حق چاپ متعلق به نویسنده اصلی است. در صورت وجود هرگونه تخلف، لطفاً برای حذف با ما تماس بگیرید.