Antigravity vandtransportsystem inspireret af træer

Effektivt at flytte vand opad mod tyngdekraften er en stor bedrift inden for menneskelig teknik, endnu en, som træer har mestret i hundreder af millioner af år. I en ny undersøgelse, forskere har designet et træ-inspireret vandtransportsystem, der bruger kapillære kræfter til at drive snavset vand opad gennem en hierarkisk struktureret aerogel, hvor det derefter kan omdannes til damp ved hjælp af solenergi til at producere frisk, rent vand.

Forskerne, ledet af Aiping Liu ved Zhejiang Sci-Tech University og Hao Bai ved Zhejiang University, har udgivet et papir om den nye vandtransport- og solar dampgenereringsmetode i et nyligt nummer af ACS Nano . I fremtiden, effektive vandtransportmetoder har potentielle anvendelser inden for vandrensning og afsaltning.

"Vores tilberedningsmetode er universel og kan industrialiseres, " fortalte Liu Phys.org . "Vores materialer har fremragende egenskaber og god stabilitet, og kan genbruges mange gange. Dette giver mulighed for storstilet afsaltning og spildevandsrensning i fremtiden."

Det nye system består af to hovedkomponenter:en lang, porøs, ultralet aerogel til at transportere vand, og et kulstof nanorør-lag oven på aerogelen for at absorbere sollys og omdanne vandet til damp. Systemet er lukket i en glasbeholder. Vand bevæger sig opad gennem porerne i aerogelen på grund af kapillærkræfter, som er forårsaget af adhæsion mellem vandmolekylerne og den indre overflade af porerne. Når vandet når toppen, det solopvarmede kulstof nanorør lag opvarmer vandet til damp, efterlader eventuelle forurenende stoffer. Dampen kondenserer på siderne af den omgivende glasbeholder, danner vanddråber, der strømmer ned til bunden af ​​beholderen til et reservoir til opsamling.

Dette design minder meget om det, som planter bruger. Planter indeholder mange små xylemkar, der trækker vand fra jorden op gennem deres grene og blade - nogle gange hundreder af fod i luften. Når vandet når bladene, solstråling får vandet til at fordampe gennem små porer i bladene, svarende til kulstof-sol-dampgeneratoren.

Genskabelse af et effektivt trælignende vandtransportsystem har været udfordrende, med de fleste tidligere forsøg, der viste relativt lave transporthastigheder, korte transportafstande, og et fald i ydeevne ved transport af spildevand og havvand sammenlignet med rent vand. Med det nye aerogel-design, forskerne viste forbedringer på alle disse områder, opnåelse af en opadgående flowydelse på 10 cm i de første 5 minutter og 28 cm efter 3 timer. Systemet fungerer også lige så godt med rent vand, havvand, spildevand, og sandet grundvand. Ud over, kulstofvarmekollektoren opnår en høj energikonverteringseffektivitet på op til 85 %.

Nøglen til forbedringerne var det omhyggelige design af aerogels arkitektur. For at fremstille materialet, forskerne hældte aerogel-ingredienserne i et kobberrør, som de derefter udsatte for en temperaturgradient, hvor den kolde ende af røret var en kølig –90 grader Celsius. Dette fik iskrystaller til at vokse i et mønster i aerogelen langs temperaturgradienten. Efter frysetørring af røret, den resulterende aerogel viste en hierarkisk struktur med radialt justerede kanaler, mikrostore porer, rynkede indre overflader, og molekylære masker. Disse små strukturer bidrog alle til aerogelens gode ydeevne.

I fremtiden, forskerne planlægger at forbedre systemets ydeevne yderligere for at forberede sig til ansøgninger.

"Vi håber at kunne optimere forsøgsordningen yderligere og udføre produktion i stor skala, " sagde Liu. "Vi håber også at forbedre længden af ​​vandtransporten yderligere, hastigheden af ​​vandtransport, og effektiviteten af ​​vandopsamling, for bedre at kunne udføre praktiske applikationer."

© 2019 Science X Network