Inspireret af åkander:Et hierarkisk design til solfordampning af saltvand med høj saltholdighed

Grænseflade af solenergi har et stort potentiale for afsaltning og spildevandsbehandling med høj energiomdannelseseffektivitet. Høje vandfordampningshastigheder kan ikke opretholdes ved hjælp af eksisterende teknikker, imidlertid, på grund af uundgåelig begroning eller saltophobning på solabsorberne, der forårsager accelereret nedbrydning af enhederne. I en nylig undersøgelse, Ning Xu og kolleger på National Laboratory of Solid State Microstructures, College of Engineering and Applied Sciences og kunstige funktionelle materialer i Kina har demonstreret en åkande-inspireret hierarkisk struktur for at lette effektiv solfordampning af saltlage og spildevand med høj saltholdighed.

Den eksperimentelle enhed tillod fordampning af saltlage med høj saltholdighed og spildevand indeholdende tungmetalioner, uden at reducere fordampningshastighederne eller begrænse absorberne under hele processen for fuldstændigt at adskille vandet og det opløste stof. Den nye og forbedrede metode vil have direkte konsekvenser på en række områder, såsom rensningsanlæg til spildevand samt produktion af havsalt og metalgenvinding. Resultaterne af undersøgelsen er nu offentliggjort på Videnskab fremskridt .

Ferskvandsmangel er en alvorlig global krise på grund af stigende global menneskelig befolkning og betydeligt forbrug og forurening af ferskvandsforekomster. Forskere udviklede en række forskellige vandbehandlingsteknologier, herunder omvendt osmose (RO) og ultrafiltrering for at lette trykket fra fortsat ferskvandsudsugning og reducere miljøpåvirkningen af ​​udledt spildevand. For eksempel, Zero Liquid Discharge (ZLD) blev foreslået som en ultimativ teknik til fuldstændig adskillelse af opløst stof og vand til genbrug, samtidig minimere skadelige økologiske påvirkninger under spildevandsrensning. Imidlertid, en energieffektiv og omkostningseffektiv metode til behandling af koncentreret saltlage mangler at blive udviklet til store ZLD-implementeringer.

En væsentlig udfordring med almindelige teknikker såsom RO er det dramatiske tryk (energi), der kræves under filtreringsprocessen med øget saltvandskoncentration; hvilket resulterer i høje energiomkostninger til vandbehandling. Som resultat, nye veje bør undersøges med specifikt fokus på højkoncentreret saltlage eller spildevand for helt at adskille vand og det opløste stof med minimale energiomkostninger koblet til langsigtet miljøsikkerhed. Forskere havde tidligere undersøgt flere strategier for at opretholde høje fordampningshastigheder fra koncentreret saltlage over en lang periode. Eksempler inkluderer mangrovetræsinspirerede "kunstige blade, "metoder til at øge vandforsyningen til at opløse saltsedimenter på absorbere og solafsaltning med relativt stabile ydelser i 120 timer.

Et åkande-inspireret design introduceret i det nuværende værk er et elegant transpirationssystem med flere indfødte funktioner. I en naturlig åkande, det primære træk er en øvre epidermis, der absorberer sollys i selskab med stomata for at undslippe vanddamp, mens den bevarer en hydrofob, selvrensende overflade. Som en anden funktion, planten kan naturligt flyde på overfladen af ​​vand på grund af et luftkammer (lacunae), der findes i bunden af ​​bladet. Tredje, blomsterdesignet kan begrænses til en vandvej, der pumper vand op gennem vaskulære bundter og spreder dem til overfladen af ​​strukturen. Xu et al. efterlignede disse funktioner for at foreslå en åkande-inspireret hierarkisk struktur (WHS) og realisere højeffektiv og stabil solfordampning i saltlage/spildevand med høj saltholdighed for fuldstændig vand- og opløste separation.

I den nye WHS-enhed, Xu et al. efterlignede åkanden, begyndende med en top solabsorber hierarkisk designet til at absorbere sollys og give kontinuerlig dampudslip gennem "kunstige stomata". De udviklede nanostrukturoverflademodifikationer på solabsorberen til hydrofobe egenskaber - ligesom vandliljen; forhindrer vandindtrængning i absorberen for effektiv fordampning af solen. Ligesom plantens lakuner (luftkammer), et bundstativ understøttede hele strukturen til naturligt at flyde på vandet, mens det fungerede som et termisk isoleringslag for at minimere varmetab. Ligesom sin naturlige modstykke, WHS understøttede kun vand til at stige op gennem de lukkede kanaler, der indeholdt huller i det nederste stativ.

Forskerne valgte kobber (Cu) skum som det indledende substrat til at udvikle WHS på grund af dets høje varmeledningsevne og porer i mikronstørrelse for at lette dampudslip. De omdannede derefter den glatte overflade af Cu til knivlignende nanoplader ved hjælp af kemisk ætsning til at konstruere effekter af nanoskala lysfanger og forbedre solabsorption. De fulgte dette trin ved at belægge overfladeabsorberen med et lag af aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) dekoreret med carbon black (CB) nanopartikler for at beskytte overfladen og forbedre sollysabsorption ved infrarød (IR).

For at teste WHS's fordampningsevne, Xu et al. behandlet deioniseret vand, 10 procent vægt saltvand og 30 procent vægt spildevand (indeholdende en tungmetalopløsning) under belysning med en sol. Når de overvåger fordampningshastighederne, værdierne var sammenlignelige med højtydende solfangere som tidligere rapporteret. Da de testede rensningseffekten af ​​afsaltning og spildevandsbehandling via WHS, ionkoncentrationerne i havvand (Na ⁺ , Mg ²⁺ , Ca ²⁺ ) og spildevand (Ni ²⁺ , Cd ²⁺ ) eller Na ⁺ i saltlage blev reduceret betydeligt. Rensestandarderne opfyldte Verdenssundhedsorganisationens (WHO) standard for drikkevand eller standard for udledning.

For at teste enhedens langsigtede stabilitet, Xu et al. gennemført en løbende, otte timers eksperiment med solvandsbehandling under en solsimulator i laboratoriet for at tage højde for fraværet af ydeevneforringelse og tilsmudsningsproblemer. For det, de sammenlignede WHS og en konventionel solabsorber med lignende fordampningshastigheder vist for rent vand. Under afsaltningsforsøgene, overfladen af ​​WHS forblev ren under fordampningen for at angive dens antifouling-evne.

Forholdsvis salt akkumuleres gradvist på den konventionelle solfangeroverflade, blokering af sollysabsorption (energitilførsel). Xu et al. bemærkede, at den gennemsnitlige fordampningshastighed af WHS var meget højere end solabsorberens i løbet af 8 timer af eksperimentet. Da de udførte et lignende eksperiment i 18 dage udendørs under naturligt sollys, fordampningshastigheden var stabil for WHS og faldet for konventionelle solabsorbere.

Ved behandling af saltlage og spildevand under solabsorbering, WHS letter især den fuldstændige adskillelse af vand og det opløste stof. Derefter, forskerne fjernede let de resterende salt/opløste krystaller efter fuldstændig vandfordampning. På denne måde, Ning Xu og kolleger demonstrerede en ny WHS-enhed, der kan udføre hurtig og stabil fordampning på tværs af langtidsbehandling af saltvand med højt saltindhold eller højt koncentreret saltvand. De opnåede fuldstændig adskillelse af vand og opløst stof uden tilsmudsning (salt/opløst stof) på enheden. Forskerne forventer, at enheden har direkte konsekvenser i en række forskellige applikationer, herunder havsaltproduktion, ressourceindvinding og kemisk fraktionering i den nærmeste fremtid.

© 2019 Science X Network