เทคโนโลยีสีดำ! เมื่อดวงอาทิตย์ส่องแสง น้ำสะอาดก็พร้อมใช้! วัสดุที่น่าทึ่งนี้ เราเปิดเผยให้คุณทราบ!

การขาดแคลนน้ำจืดเป็นความท้าทายที่ร้ายแรงต่อการพัฒนาสังคมมากขึ้นเรื่อยๆ มีรายงานว่า 29% ของประชากรโลกไม่มีน้ำดื่มที่ปลอดภัย และความต้องการน้ำสะอาดยังคงเพิ่มขึ้นเนื่องจากการเติบโตของประชากรและปัญหาสิ่งแวดล้อม น้ำสะอาดที่เกี่ยวข้องกับสุขอนามัยมีความสำคัญอย่างยิ่งในบริบทของการระบาดของโรคโคโรนาไวรัส (ปอดบวมจากนีโอโคโรนาไวรัส) ในปัจจุบัน การระเหยของน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ถือเป็นเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มมากที่สุดอย่างหนึ่งในการผลิตน้ำสะอาดจากน้ำทะเลและน้ำเสียโดยใช้แสงแดดเป็นพลังงานเพียงอย่างเดียว เทคโนโลยีนี้พึ่งพาตัวดูดซับแสงอาทิตย์เป็นอย่างมาก ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวระเหยเพื่อแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นความร้อนเพื่อผลิตไอน้ำ เพื่อให้ได้อัตราการระเหยของน้ำที่สูงและประสิทธิภาพการแปลงความร้อนจากแสงอาทิตย์ วัสดุที่เหมาะสมควรมีช่วงการดูดซับที่กว้างเพื่อใช้สเปกตรัมแสงอาทิตย์ส่วนใหญ่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ มีการนำความร้อนต่ำเพื่อลดการสูญเสียความร้อน และช่องพรุนสามมิติ (3D) สำหรับการขนส่งน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ จนถึงขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาวัสดุโฟโตเทอร์มอลต่างๆ บนพื้นฐานของคาร์บอน (เช่น กราฟีนหรือคาร์บอนนาโนทิวบ์) โพลิเมอร์ โลหะและออกไซด์ของโลหะและลูกผสมของโลหะเหล่านี้ เป็นต้น

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำงานกันอย่างหนักเพื่อสำรวจและสร้างความก้าวหน้าหลายอย่างในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ดังนั้นเรามาเรียนรู้จากสิ่งพิมพ์หัวข้อต่างๆ หลายฉบับเกี่ยวกับความคืบหน้าในการวิจัยการผลิตน้ำสะอาดจากความร้อนจากแสงอาทิตย์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมากันดีกว่า

1. การสื่อสารธรรมชาติ: ใบไม้เป็นแรงบันดาลใจให้กับเครื่องกรองน้ำพลังงานแสงอาทิตย์ประสิทธิภาพสูง

ใบของพืชมีท่อลำเลียงตามธรรมชาติอาศัยความแตกต่างของแรงดันออสโมติก การคายน้ำ และการขับถ่าย เพื่อผลิตน้ำสะอาดจำนวนมาก โดยอาศัยพลังงานแสงอาทิตย์ ด้วยแรงบันดาลใจจากสิ่งนี้ นักวิจัยในกลุ่มของชุนหลี่ที่มหาวิทยาลัยชิงหัวจึงได้รายงานเกี่ยวกับเครื่องกรองน้ำที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อการผลิตและกรองน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ เครื่องกรองน้ำที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์นี้ประกอบด้วยไฮโดรเจลโพลี(N-ไอโซโพรพิลอะคริลาไมด์) (PN) ที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิเชิงลบ ยึดติดอยู่บน โครงสร้าง โฟมเมลามีน ที่มีคุณสมบัติชอบน้ำสูงมาก และเคลือบด้วยเยื่อกรองกราฟีน (PG) ที่ดัดแปลงด้วย PNIPAm อยู่ด้านนอก การจำลองพลศาสตร์โมเลกุลและผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า คุณสมบัติชอบน้ำสูงมากของโครงสร้างเมลามีนที่ค่อนข้างแข็ง ช่วยเร่งอัตราการบวม/หดตัวของเครื่องกรองน้ำ PNPG-F อย่างมีนัยสำคัญ ภายใต้ความเข้มของแสงแดดที่เท่ากัน โครงสร้างที่ได้รับการออกแบบอย่างมีเหตุผลนี้สามารถเก็บรวบรวมน้ำได้ 4.2 กก./ตร.ม./ชม. และกำจัดไอออนได้มากกว่า 99% สำหรับตัวกรอง PNPG-F เพียงตัวเดียวจากน้ำเกลือ โดยอาศัยผลเสริมฤทธิ์กันของการระเหยและการเติมน้ำแบบหยด ผู้เขียนมองเห็นศักยภาพในการประยุกต์ใช้ระบบที่ขับเคลื่อนด้วยแสงแดดที่มีประสิทธิภาพสูงนี้ในงานบำบัดน้ำต่างๆ มากมาย งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์เป็นบทความชื่อ “Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production” ในวารสารย่อย Nature communications

2. ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์: เครือข่ายโพลิเมอร์ที่มีความสามารถในการดูดซับแสงสูงของไฮโดรเจลสำหรับการฟอกน้ำด้วยแสงอาทิตย์

การระเหยของน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อการฟอกน้ำเป็นเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มดีสำหรับการผลิตน้ำจืด อย่างไรก็ตาม การผลิตไอน้ำจากพลังงานแสงอาทิตย์นั้นใช้พลังงานมาก ส่งผลให้การผลิตน้ำลดลงภายใต้แสงแดดธรรมชาติ ดังนั้น จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องพัฒนาวัสดุใหม่ๆ ที่สามารถลดความต้องการพลังงานสำหรับการระเหยของน้ำและเร่งการฟอกน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ กลุ่มของศาสตราจารย์ Guihua Yu ที่เมืองออสติน รัฐเท็กซัส สหรัฐอเมริกา ได้รายงานเกี่ยวกับไฮโดรเจลที่ดูดซับแสงที่มีความชื้นสูง (h-LAH) ซึ่งประกอบด้วยโพลีไวนิลแอลกอฮอล์และไคโตซานเป็นแกนหลักในการดูดซับความชื้นและโพลีไพโรลเป็นตัวดูดซับแสง ซึ่งสามารถใช้พลังงานน้อยลง (น้อยกว่า 50% ของปริมาตรน้ำ) ในการระเหยน้ำ มีการสาธิตให้เห็นว่าการเพิ่มความจุในการดูดซับความชื้นของ h-LAH ​​สามารถเปลี่ยนสถานะของน้ำและกระตุ้นน้ำได้บางส่วน จึงทำให้การระเหยของน้ำเป็นไปได้ง่ายขึ้น h-LAH ​​ช่วยเพิ่มการผลิตไอน้ำจากพลังงานแสงอาทิตย์ได้ในอัตราสูงสุดที่ ~3.6 กก./ตร.ม./ชม. ในแสงแดด 2 ดวง การระเหยของน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้ h-LAH ​​ยังแสดงให้เห็นความทนทานในระยะยาวและคุณสมบัติป้องกันตะกรันต่อสารปนเปื้อนไอออนิกที่ซับซ้อน งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในบทความที่มีชื่อว่า “Plant leaves inspired sunshine-driven purifier for high-efficiency clean water production” ในวารสารย่อย Science Advances ของวารสาร Science

3. Angew: วัสดุ COF ที่มีคุณสมบัติชอบน้ำสูงและการดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่นกว้างเพื่อการระเหยของน้ำด้วยความร้อนจากแสง

คุณสมบัติไม่ชอบน้ำและการดูดซับแสงที่จำกัดของพอลิเมอร์อินทรีย์ที่มีรูพรุน โดยเฉพาะในบริเวณอินฟราเรดใกล้ (NIR) เป็นสองอุปสรรคสำคัญที่ขัดขวางการประยุกต์ใช้ในการผลิตไอน้ำจากแสงอาทิตย์ (SSG) นักวิจัยในกลุ่มของ Xiaoli Yan ที่มหาวิทยาลัย Jilin ได้พัฒนาโครงสร้างอินทรีย์โควาเลนต์ (COF) โดยใช้ 1,4,5,8 tetrakis(phenylamino)anthracene-9,10-dione (TPAD) (TPAD-COF) ซึ่งมีลักษณะเด่นคือมีคุณสมบัติชอบน้ำสูงและการดูดซับแสงที่กว้างซึ่งครอบคลุม SSG จากบริเวณ NIR ที่มีรังสี UV/มองเห็นทั้งหมด TPAD-COF เป็นวัสดุแปลงความร้อนจากแสงที่มีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องใช้สารเติมแต่งใดๆ โดยสามารถระเหยน้ำได้ดีเยี่ยมที่ 1.42 กก./ตร.ม./ชม. และให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงถึง 2% ภายใต้การฉายรังสีที่มีความเข้มของแสงอาทิตย์เพียงครั้งเดียว การขยายขอบเขตการดูดซับแสง COF ที่ใช้ TPAD เพิ่มเติมทำได้โดยการปรับเปลี่ยนโมเลกุล BF94 ที่ถูกคีเลตหลังการสังเคราะห์ การทดลองและการวิเคราะห์การควบคุมเชิงระบบยืนยันว่าคุณสมบัติชอบน้ำของวัสดุแปลงความร้อนจากแสงมีบทบาทสำคัญมากขึ้นใน COF ที่ใช้ TPAD ในปัจจุบันซึ่งใช้ในการระเหยของน้ำจากความร้อนจากแสง งานวิจัยที่มีชื่อว่า “Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation” ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารนานาชาติชั้นนำ Angewise ผลงานนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารนานาชาติชั้นนำ Angew Chem. Int. Ed.

4. JACS: ไฮโดรเจล COF/กราฟีนแบบสองภูมิภาคที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำสำหรับการระเหยของน้ำด้วยความร้อนจากแสง

การระเหยของน้ำด้วยแสงอาทิตย์เป็นเทคโนโลยีการบำบัดน้ำอย่างยั่งยืนที่สามารถช่วยบรรเทาปัญหาการขาดแคลนน้ำทั่วโลก อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้เผชิญกับความท้าทายครั้งใหญ่เนื่องจากการใช้พลังงานสูงและอัตราการระเหยของน้ำต่ำ กลุ่มของศาสตราจารย์ Arne Thomas จากมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งเบอร์ลิน ประเทศเยอรมนี รายงานเกี่ยวกับไฮโดรเจลแบบสองภูมิภาคอินทรีย์โควาเลนต์ (COF)/กราฟีนที่ประกอบด้วยทั้งภูมิภาคชอบน้ำและไม่ชอบน้ำในวัสดุหนึ่งเดียวผ่านกลยุทธ์การเจริญเติบโตในแหล่งที่เรียบง่าย COF ชอบน้ำครอบคลุมส่วนหนึ่งของภูมิภาคกราฟีนไม่ชอบน้ำ ด้วยการควบคุมที่แม่นยำของภูมิภาคเปียกทั้งสองแห่ง ไฮโดรเจลไฮบริดจึงแสดงการเก็บเกี่ยวแสงที่มีประสิทธิภาพ ความสามารถในการเปียกที่ปรับได้ ปริมาณน้ำที่เหมาะสมที่สุด และความต้องการพลังงานที่ลดลงสำหรับการระเหยของน้ำ ในฐานะตัวดูดซับแสงอาทิตย์ ไฮโดรเจลแบบสองภูมิภาคนี้ให้อัตราการสร้างไอสูงถึง 3.69 กก./ตร.ม./ชม. สำหรับการฉายรังสีดวงอาทิตย์ 2 ครั้ง (1 กิโลวัตต์/ตร.ม.) ซึ่งเทียบได้กับวัสดุขั้นสูงอื่นๆ นอกจากนี้ เครื่องระเหยไฮโดรเจลนี้ยังใช้ผลิตน้ำดื่มจากน้ำทะเลและน้ำเสียได้ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการบำบัดน้ำ งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร JACS ในชื่อ “A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation” ซึ่งเป็นวารสารระดับนานาชาติชั้นนำ JACS

5. ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์: เครื่องระเหยน้ำความร้อนจากแสงประสิทธิภาพสูงที่ได้รับแรงบันดาลใจจากโครงสร้างใบพัดของดอกบัว

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การสร้างไอพลังงานแสงอาทิตย์จากส่วนต่อประสานได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยอดเยี่ยมในการบรรลุประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงสำหรับการแยกเกลือออกจากน้ำและการบำบัดน้ำเสีย อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถรักษาอัตราการระเหยที่สูงได้เนื่องจากการสะสมของสิ่งสกปรกหรือเกลือบนตัวดูดซับแสงอาทิตย์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ การย่อยสลายจะเร็วขึ้นเมื่อความเข้มข้นของสารละลายเพิ่มขึ้น เพื่อแก้ปัญหานี้ กลุ่มของศาสตราจารย์ Jia Zhu จากมหาวิทยาลัย Nanjing ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากโครงสร้างของใบบัวหลวง ได้ออกแบบโครงสร้างหลายขั้นตอน (อุปกรณ์แปลงไอระเหยความร้อนจากแสง (Photothermal-Impire Structure: WHS) ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากดอกบัวหลวง ซึ่งสามารถบรรลุประสิทธิภาพการแปลงความร้อนจากแสงได้ 80% เมื่อบำบัดน้ำเกลือที่มีความเข้มข้นสูง 10% และน้ำเสีย 30% ทั้งนี้ ควรกล่าวถึงว่าประสิทธิภาพการแปลงความร้อนจากแสงจะไม่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญในระหว่างการบำบัดน้ำเกลือที่มีความเข้มข้นสูงและน้ำเสีย จนกว่าการระเหยจะเสร็จสิ้น (กล่าวคือ “การระบายออกเป็นศูนย์”) และพื้นผิวยังคงสะอาด งานนี้ได้รับการตีพิมพ์ใน Science Advance ภายใต้ชื่อ “A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine”

6. พลังงานนาโน: โมลิบดีนัมไดซัลไฟด์สำหรับการระเหยของน้ำด้วยความร้อนจากแสง

นักวิจัยในกลุ่มของ Lifeng Wan ที่สถาบันวัสดุขั้นสูง มหาวิทยาลัย Deakin ได้พัฒนาโครงสร้างเฮเทโรของโลหะทรานซิชันไดซัลไฟด์และไนไตรด์ที่อุดมด้วยไนโตรเจนหลายชนิดสำหรับการระเหยน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ผ่านการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึกบางส่วน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โครงสร้างเฮเทโร 2 มิติขั้นสูงเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงการดูดซับสเปกตรัมที่เพิ่มขึ้นในช่วงอินฟราเรดและความเสถียรทางเคมีที่ดีเยี่ยมในสารละลายต่างๆ รวมถึงน้ำ กรด และเบส ที่สำคัญกว่านั้น เนื่องจากความเข้มของการดูดซับสเปกตรัมที่เพิ่มขึ้นและการสูญเสียความร้อนที่ลดลง อุปกรณ์พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ MoS2-Mo5N6/ โฟมเมลามีน (MF) จึงแสดงอัตราการระเหยสูง (2.31 กก. ตร.ม. ชม.) และประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูง (106.6%) ซึ่งสูงกว่าอุปกรณ์พลังงานแสงอาทิตย์ MoS2/MF และ MF/น้ำ ถึง 1.4 และ 4.7 เท่า ตามลำดับ งานวิจัยนี้จึงนำเสนอโครงสร้างเฮเทโร 2 มิติ-2 มิติ TMDs-ไนไตรด์ที่อุดมด้วยไนโตรเจนขั้นสูงหลายชนิดที่มีประสิทธิภาพด้านความร้อนจากแสงที่ดีเยี่ยมสำหรับการผลิตน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ ผลงานนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nano energy ซึ่งเป็นวารสารระดับนานาชาติชั้นนำ ในชื่อ “โครงสร้างเฮเทอโร 2 มิติ-2 มิติขั้นสูงของไดแคลโคเจนิกโลหะทรานซิชันและไนไตรด์ที่อุดมด้วยไนโตรเจนสำหรับการผลิตน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์”

คาดว่าเทคโนโลยีการระเหยของน้ำจากความร้อนจากแสงอาทิตย์จะช่วยแก้ปัญหาการขาดแคลนน้ำสะอาดทั่วโลกได้ ซึ่งสิ่งที่ต้องแก้ไขในขณะนี้ก็คือการเตรียมวัสดุความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่มีต้นทุนต่ำ การทำงานที่มีประสิทธิภาพสูง รวมถึงความเสถียรและความสะดวกในการใช้งานในสภาพแวดล้อมการใช้งานจริง เราตั้งตารอผลลัพธ์เพิ่มเติมในอนาคตเพื่อประโยชน์ในเร็ว ๆ นี้ของมวลมนุษยชาติทุกคน!

หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับโฟมเมลามีน โปรดติดต่อเราได้ที่[email protected]หรือโทรหาเราที่: +86-28-8411-1861

รูปภาพและข้อความบางส่วนนำมาจากอินเทอร์เน็ต และลิขสิทธิ์เป็นของผู้เขียนต้นฉบับ หากพบการละเมิดลิขสิทธิ์ กรุณาติดต่อเราเพื่อลบทิ้ง