Thiếu nước ngọt là một thách thức ngày càng nghiêm trọng đối với sự phát triển xã hội. Theo báo cáo, 29% dân số toàn cầu không có nước uống an toàn và nhu cầu về nước sạch vẫn đang tăng do sự gia tăng dân số và các vấn đề về môi trường. Nước sạch liên quan đến vệ sinh đặc biệt quan trọng trong bối cảnh bùng phát dịch bệnh do vi-rút corona (viêm phổi do vi-rút corona mới) hiện nay. Bốc hơi nước bằng năng lượng mặt trời được coi là một trong những công nghệ hứa hẹn nhất để sản xuất nước sạch từ nước biển và nước thải bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng đầu vào duy nhất. Công nghệ này phụ thuộc rất nhiều vào các bộ hấp thụ năng lượng mặt trời, hoạt động như các bộ bốc hơi để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt để tạo ra hơi nước. Để đạt được tốc độ bốc hơi nước cao và hiệu suất chuyển đổi nhiệt mặt trời, vật liệu lý tưởng phải có phạm vi hấp thụ rộng để sử dụng hiệu quả một phần lớn quang phổ mặt trời, độ dẫn nhiệt thấp để ngăn chặn sự mất nhiệt và các kênh xốp ba chiều (3D) để vận chuyển nước hiệu quả. Cho đến nay, các nhà khoa học đã phát triển nhiều vật liệu quang nhiệt khác nhau dựa trên carbon (ví dụ: graphene hoặc ống nano carbon), polyme, kim loại và oxit kim loại và các hợp chất lai của chúng, v.v.
Các nhà khoa học đã nỗ lực nghiên cứu và đạt được nhiều đột phá trong những năm gần đây, vì vậy chúng ta hãy cùng tìm hiểu về tiến trình nghiên cứu trong lĩnh vực sản xuất nước sạch quang nhiệt trong những năm gần đây qua một số ấn phẩm chuyên đề.
- Nature Communications: Lá cây truyền cảm hứng cho máy lọc nước năng lượng mặt trời hiệu suất cao
Lá của thực vật có mạch tự nhiên dựa vào sự khác biệt về áp suất thẩm thấu, thoát hơi nước và bài tiết để tạo ra hàng tấn nước sạch, được cung cấp năng lượng bởi ánh sáng mặt trời. Lấy cảm hứng từ điều này, các nhà nghiên cứu trong nhóm của Chun Li tại Đại học Thanh Hoa đã báo cáo một máy lọc nước chạy bằng ánh sáng mặt trời để lọc và sản xuất nước hiệu quả. Máy lọc nước chạy bằng ánh sáng mặt trời này có một hydrogel poly(N-isopropylacrylamide) (PN) phản ứng với nhiệt độ âm được neo trên một siêu ưa nước bọt melamine xương sống và được phủ màng lọc graphene (PG) biến tính PNIPAm ở bên ngoài. Mô phỏng động lực học phân tử và kết quả thực nghiệm cho thấy bản chất siêu ưa nước của xương sống melamine tương đối cứng đã đẩy nhanh đáng kể tốc độ trương nở/giảm trương nở của máy lọc PNPG-F. Dưới cùng cường độ chiếu xạ ánh sáng mặt trời, cấu trúc được thiết kế hợp lý này cung cấp khả năng thu thập 4.2 kg/m2/h và loại bỏ > 99% ion cho một PNPG-F duy nhất từ nguồn nước muối thông qua hiệu ứng hiệp đồng của quá trình bay hơi và nhỏ giọt. Tác giả hình dung ra những ứng dụng tiềm năng to lớn cho hệ thống sử dụng ánh sáng mặt trời hiệu quả cao này trong nhiều ứng dụng xử lý nước khác nhau. Nghiên cứu đã được công bố dưới dạng một bài báo có tựa đề “Lá cây lấy cảm hứng từ máy lọc sử dụng ánh sáng mặt trời để sản xuất nước sạch hiệu quả cao” trên tạp chí phụ Nature là Nature communications.
- Tiến bộ khoa học: Mạng lưới polyme có khả năng ngậm nước cao của hydrogel hấp thụ ánh sáng để lọc nước bằng năng lượng mặt trời
Bốc hơi nước bằng năng lượng mặt trời để lọc nước là một công nghệ đầy hứa hẹn cho sản xuất nước ngọt. Tuy nhiên, việc tạo ra hơi nước bằng năng lượng mặt trời đòi hỏi nhiều năng lượng, dẫn đến sản lượng nước thấp dưới ánh sáng ban ngày tự nhiên. Do đó, rất cần phát triển các vật liệu mới có thể giảm nhu cầu năng lượng để bốc hơi nước và đẩy nhanh quá trình lọc nước bằng năng lượng mặt trời. Nhóm của Giáo sư Guihua Yu tại Austin, Texas, Hoa Kỳ đã báo cáo một loại hydrogel hấp thụ ánh sáng có độ ngậm nước cao (h-LAH) bao gồm polyvinyl alcohol và chitosan làm xương sống hydrat hóa và polypyrrole làm chất hấp thụ ánh sáng, có thể sử dụng ít năng lượng hơn (< 50% thể tích nước) để bốc hơi nước. Người ta đã chứng minh rằng việc tăng khả năng hydrat hóa của h-LAH có thể thay đổi trạng thái của nước và kích hoạt một phần nước, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bốc hơi nước. h-LAH đã làm tăng sản lượng hơi nước bằng năng lượng mặt trời lên mức kỷ lục ~3.6 kg/m2/h trong 1 mặt trời. Bốc hơi nước bằng năng lượng mặt trời dựa trên h-LAH cũng thể hiện độ bền lâu dài và đặc tính chống bám bẩn đối với các chất gây ô nhiễm ion phức tạp. Nghiên cứu này được công bố trong bài báo có tựa đề “Lá cây lấy cảm hứng từ ánh sáng mặt trời để tạo ra máy lọc nước sạch hiệu suất cao” trên tạp chí Science Advances”.
- Angew: Vật liệu COF có tính siêu ưa nước và hấp thụ ánh sáng bước sóng rộng để bốc hơi nước quang nhiệt
Tính kỵ nước vốn có và khả năng hấp thụ ánh sáng hạn chế của polyme hữu cơ xốp, đặc biệt là ở vùng gần hồng ngoại (NIR), là hai nút thắt cản trở việc ứng dụng chúng trong quá trình tạo hơi nước bằng năng lượng mặt trời (SSG). Các nhà nghiên cứu trong nhóm của Xiaoli Yan tại Đại học Cát Lâm đã phát triển một khung hữu cơ cộng hóa trị (COF) dựa trên 1,4,5,8 tetrakis (phenylamino) anthracene-9,10-dione (TPAD) (TPAD-COF), được đặc trưng bởi tính siêu ưa nước và khả năng hấp thụ ánh sáng rộng bao phủ SSG từ toàn bộ vùng UV/NIR khả kiến. TPAD-COF, là vật liệu chuyển đổi quang nhiệt hiệu quả mà không cần bất kỳ chất phụ gia nào, thể hiện khả năng bốc hơi nước tuyệt vời là 1.42 kg/m2/h và đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao là 94% dưới một lần chiếu xạ cường độ mặt trời. Một sự mở rộng hơn nữa phạm vi hấp thụ ánh sáng COF dựa trên TPAD đã đạt được bằng cách biến đổi sau tổng hợp các phân tử BF2 được tạo phức. Các thí nghiệm kiểm soát có hệ thống và phân tích xác nhận rằng tính ưa nước của vật liệu chuyển đổi quang nhiệt đóng vai trò chủ đạo hơn trong các COF dựa trên TPAD hiện tại được sử dụng để bốc hơi nước quang nhiệt. Công trình nghiên cứu có tên “Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation” đã được công bố trên tạp chí quốc tế hàng đầu Angewise. Công trình này đã được công bố trên tạp chí quốc tế hàng đầu Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: Hydrogel COF/graphene hai vùng ưa nước-kỵ nước dùng cho quá trình bốc hơi nước quang nhiệt
Bốc hơi nước bằng năng lượng mặt trời là công nghệ xử lý nước bền vững có thể giúp giảm bớt tình trạng thiếu nước toàn cầu. Tuy nhiên, công nghệ này phải đối mặt với những thách thức lớn do mức tiêu thụ năng lượng cao và tốc độ bốc hơi nước thấp. Nhóm của Giáo sư Arne Thomas tại Đại học Kỹ thuật Berlin, Đức, đã báo cáo một hydrogel hai vùng hữu cơ cộng hóa trị (COF)/graphene chứa cả vùng ưa nước và kỵ nước trong một vật liệu thông qua một chiến lược phát triển tại chỗ đơn giản. COF ưa nước bao phủ một phần vùng graphene kỵ nước. Bằng cách kiểm soát chính xác hai vùng làm ướt, hydrogel lai cho thấy khả năng thu thập ánh sáng hiệu quả, khả năng làm ướt có thể điều chỉnh, hàm lượng nước được tối ưu hóa và giảm nhu cầu năng lượng để bốc hơi nước. Là một chất hấp thụ năng lượng mặt trời, hydrogel hai vùng đạt được tốc độ tạo hơi lên tới 3.69 kg/m2/h cho 1 lần chiếu xạ mặt trời (1kw/m2), tương đương với các vật liệu tiên tiến khác. Ngoài ra, bộ bốc hơi hydrogel này có thể được sử dụng để sản xuất nước uống từ nước biển và nước thải, chứng minh tiềm năng xử lý nước. Công trình nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí JACS với tựa đề “A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation”, JACS, một tạp chí quốc tế hàng đầu.
- Tiến bộ khoa học: Thiết bị bay hơi nước quang nhiệt hiệu suất cao lấy cảm hứng từ cấu trúc lá súng
Trong những năm gần đây, việc tạo ra hơi nước mặt trời giao diện đã cho thấy tiềm năng to lớn trong việc đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao để khử muối và xử lý nước thải. Tuy nhiên, tốc độ bay hơi cao không thể duy trì được do sự tích tụ dường như không thể tránh khỏi của cặn bẩn hoặc muối trên bộ hấp thụ năng lượng mặt trời. Sự phân hủy được đẩy nhanh khi nồng độ chất tan tăng lên. Để giải quyết vấn đề này, nhóm của Giáo sư Jia Zhu tại Đại học Nam Kinh, lấy cảm hứng từ cấu trúc của lá súng, đã thiết kế một thiết bị chuyển đổi hơi nhiệt-quang có cấu trúc nhiều giai đoạn (Cấu trúc phân cấp lấy cảm hứng từ súng (WHS), có thể đạt hiệu suất chuyển đổi nhiệt-quang 80% khi xử lý 10 wt% nước muối có nồng độ cao và 30 wt% nước thải. Điều đáng nói là hiệu suất chuyển đổi nhiệt-quang không giảm đáng kể trong quá trình xử lý nước muối và nước thải có nồng độ cao cho đến khi quá trình bay hơi hoàn tất (tức là "xả bằng không") và bề mặt vẫn sạch. Công trình đã được công bố trên tạp chí Science Advance với tiêu đề "Thiết kế phân cấp lấy cảm hứng từ súng để bốc hơi năng lượng mặt trời ổn định và hiệu quả nước muối có độ mặn cao".
- Năng lượng nano: Molypden disulfide cho quá trình bốc hơi nước quang nhiệt
Các nhà nghiên cứu trong nhóm của Lifeng Wan tại Viện Vật liệu Frontier thuộc Đại học Deakin đã phát triển một loạt các cấu trúc dị hợp kim loại chuyển tiếp disulfide và nitride giàu nitơ để bốc hơi nước bằng năng lượng mặt trời thông qua quá trình biến đổi tinh thể một phần. Đặc biệt, các cấu trúc dị hợp 2D tiên tiến này thể hiện khả năng hấp thụ quang phổ tăng cường trong phạm vi hồng ngoại và độ ổn định hóa học tuyệt vời trong các dung dịch khác nhau, bao gồm nước, axit và bazơ. Quan trọng hơn, do cường độ hấp thụ quang phổ tăng cường và giảm mất nhiệt, MoS2-Mo5N6/bọt melamine Thiết bị nhiệt mặt trời (MF) thể hiện tốc độ bốc hơi cao (2.31 kg m-2h-1) và hiệu suất chuyển đổi (106.6%), cao hơn lần lượt 1.4 và 4.7 lần so với thiết bị năng lượng mặt trời MoS2/MF và MF/nước. Công trình này cung cấp một loạt các cấu trúc dị hợp 2D-2D TMDs-nitrogen-rich nitride tiên tiến với hiệu suất quang nhiệt tuyệt vời để tạo ra nước mặt trời. Công trình này đã được công bố trên Nano energy, một tạp chí quốc tế hàng đầu, với tựa đề “Cấu trúc dị hợp 2D-2D tiên tiến của dichalcogenide kim loại chuyển tiếp và nitride giàu nitơ để tạo ra nước mặt trời”.
Công nghệ bốc hơi nước quang nhiệt mặt trời dự kiến sẽ giải quyết được tình trạng thiếu nước sạch trên toàn cầu, điều cần giải quyết ngay bây giờ là chế tạo vật liệu quang nhiệt giá rẻ, vận hành hiệu suất cao, cũng như tính ổn định và tính di động khi sử dụng trong môi trường ứng dụng thực tế, mong muốn có nhiều kết quả hơn trong tương lai vì lợi ích sớm của toàn thể nhân loại!
Để biết thêm thông tin về Melamine Foam, vui lòng liên hệ với chúng tôi tại [email được bảo vệ] hoặc gọi cho chúng tôi theo số: +86-28-8411-1861.
Một số hình ảnh và văn bản được sao chép từ Internet và bản quyền thuộc về tác giả gốc. Nếu có bất kỳ vi phạm nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa.