A escassez de água doce é um desafio cada vez mais sério para o desenvolvimento social. Relata-se que 29% da população global não tem água potável segura, e a demanda por água limpa continua aumentando devido ao crescimento populacional e às questões ambientais. Água limpa associada ao saneamento é particularmente importante no contexto do atual surto da doença do coronavírus (pneumonia por neocoronavírus). A evaporação de água alimentada por energia solar é considerada uma das tecnologias mais promissoras para a produção de água limpa a partir de água do mar e águas residuais, utilizando a luz solar como única fonte de energia. A tecnologia depende fortemente de absorvedores solares, que atuam como evaporadores para converter a energia solar em calor para produzir vapor. Para atingir altas taxas de evaporação de água e eficiências de conversão de calor solar, o material ideal deve ter uma ampla faixa de absorbância para utilizar eficientemente uma grande parte do espectro solar, baixa condutividade térmica para suprimir a perda de calor e canais porosos tridimensionais (3D) para transporte eficiente de água. Até o momento, os cientistas desenvolveram vários materiais fototérmicos baseados em carbono (por exemplo, grafeno ou nanotubos de carbono), polímeros, metais e óxidos metálicos e seus híbridos, etc.
Os cientistas têm trabalhado duro para explorar e fazer muitas descobertas nos últimos anos, então vamos aprender com diversas publicações atuais sobre o progresso da pesquisa em geração de água limpa fototérmica nos últimos anos.
- Nature Communications: Folhas de plantas inspiram purificador de água de alta eficiência movido a energia solar
As folhas de plantas vasculares naturais dependem de diferenças na pressão osmótica, transpiração e excreção para produzir toneladas de água limpa, impulsionadas pela luz solar. Inspirados por isso, pesquisadores do grupo de Chun Li, da Universidade de Qinghua, relataram um purificador movido a luz solar para purificação e produção eficientes de água. Este purificador movido a luz solar apresenta um hidrogel de poli(N-isopropilacrilamida) (PN) com resposta negativa à temperatura, ancorado em uma estrutura de espuma de melamina super-hidrofílica e revestido externamente com uma membrana filtrante de grafeno modificado com PNIPAm (PG). Simulações de dinâmica molecular e resultados experimentais mostraram que a natureza super-hidrofílica da estrutura de melamina relativamente rígida acelerou significativamente a taxa de inchaço/desinchaço do purificador PNPG-F. Sob a mesma intensidade de irradiação solar, esta estrutura projetada racionalmente proporcionou uma coleta de 4.2 kg/m²/h e remoção de íons superior a 99% para um único PNPG-F a partir de uma solução salina, por meio dos efeitos sinérgicos da evaporação e da adição por gotejamento. O autor vislumbra um grande potencial de aplicação para este sistema altamente eficiente movido a luz solar em diversas aplicações de tratamento de água. O estudo foi publicado como um artigo intitulado “Purificador movido a luz solar inspirado em folhas de plantas para produção de água limpa de alta eficiência” no periódico Nature Communications, da revista Nature.
- Avanços científicos: redes de polímeros altamente hidratáveis de hidrogéis absorvedores de luz para purificação solar de água
A evaporação solar de água para purificação de água é uma tecnologia promissora para a produção de água doce. No entanto, a geração de vapor solar consome muita energia, resultando em baixa produção de água sob luz natural. Portanto, há uma grande necessidade de desenvolver novos materiais que possam reduzir a demanda de energia para evaporação de água e acelerar a purificação solar de água. O grupo do Professor Guihua Yu em Austin, Texas, EUA, relatou um hidrogel altamente hidratado e absorvedor de luz (h-LAH) composto de álcool polivinílico e quitosana como estrutura de hidratação e polipirrol como absorvedor de luz, que pode usar menos energia (< 50% do volume de água) para evaporar a água. Foi demonstrado que o aumento da capacidade de hidratação do h-LAH pode alterar o estado da água e ativá-la parcialmente, facilitando assim a evaporação da água. O h-LAH aumentou a produção de vapor solar para uma taxa recorde de ~3.6 kg/m²/h em 2 sol. A evaporação solar de água à base de h-LAH também exibiu durabilidade a longo prazo e propriedades antiincrustantes contra contaminantes iônicos complexos. A pesquisa foi publicada em um artigo intitulado “Purificador movido a luz solar inspirado em folhas de plantas para produção de água limpa de alta eficiência” no subperiódico Science Advances.
- Angew: Materiais COF com super-hidrofilicidade e absorção de luz de amplo comprimento de onda para evaporação fototérmica de água
A hidrofobicidade inerente e a absorção limitada de luz de polímeros orgânicos porosos, especialmente na região do infravermelho próximo (NIR), são dois gargalos que dificultam sua aplicação na geração de vapor solar (SSG). Pesquisadores do grupo de Xiaoli Yan na Universidade de Jilin desenvolveram uma estrutura orgânica covalente (COF) baseada em 1,4,5,8 tetraquis(fenilamino)antraceno-9,10-diona (TPAD) (TPAD-COF), que é caracterizada por super-hidrofilicidade e ampla absorção de luz cobrindo SSG de toda a região UV/NIR visível. TPAD-COF, como um material de conversão fototérmica eficiente sem quaisquer aditivos, exibe excelente evaporação de água de 1.42 kg/m²/h e atinge uma alta eficiência de conversão de energia de 2% sob uma irradiação de intensidade solar. Uma extensão adicional da faixa de absorção de luz COF baseada em TPAD foi alcançada pela modificação pós-sintética de moléculas de BF94 queladas. Experimentos e análises de controle sistemático confirmam que a hidrofilicidade do material de conversão fototérmica desempenha um papel mais preponderante nos atuais COFs baseados em TPAD utilizados para evaporação fototérmica de água. O trabalho de pesquisa, intitulado "Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation" (Estruturas Orgânicas Covalentes Superhidrofílicas 2D como Absorventes de Banda Larga para Geração Eficiente de Vapor Solar), foi publicado na revista internacional de renome Angewise. O trabalho foi publicado na revista internacional de renome Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: Hidrogel de COF/grafeno de região dupla hidrofílico-hidrofóbico para evaporação fototérmica de água
A evaporação solar de água é uma tecnologia sustentável de tratamento de água que pode ajudar a aliviar a escassez global de água. No entanto, essa tecnologia enfrenta grandes desafios devido ao alto consumo de energia e à baixa taxa de evaporação da água. O grupo do Prof. Arne Thomas, da Universidade Técnica de Berlim, Alemanha, relata um hidrogel de dupla região de estrutura orgânica covalente (COF)/grafeno que contém regiões hidrofílicas e hidrofóbicas em um único material por meio de uma estratégia simples de crescimento in situ. O COF hidrofílico cobre parte da região hidrofóbica do grafeno. Por meio do controle preciso das duas regiões de umedecimento, o hidrogel híbrido apresenta coleta de luz eficaz, molhabilidade ajustável, conteúdo de água otimizado e menor necessidade de energia para evaporação de água. Como um absorvedor solar, o hidrogel de dupla região atinge uma taxa de geração de vapor de até 3.69 kg/m²/h para 2 irradiação solar (1kW/m²), o que é comparável a outros materiais avançados. Além disso, este evaporador de hidrogel pode ser usado para produzir água potável a partir de água do mar e esgoto, demonstrando o potencial do tratamento de água. O trabalho de pesquisa foi publicado na revista JACS como "A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation", uma importante revista internacional.
- Avanços científicos: evaporador fototérmico de água de alta eficiência inspirado na estrutura da lâmina do lírio d'água
Nos últimos anos, a geração de vapor solar interfacial demonstrou grande potencial para alcançar alta eficiência de conversão de energia para dessalinização e tratamento de águas residuais. No entanto, altas taxas de evaporação não podem ser mantidas devido ao acúmulo aparentemente inevitável de incrustações ou sais no absorvedor solar. A degradação é acelerada à medida que a concentração de soluto aumenta. Para resolver esse problema, o grupo do Prof. Jia Zhu na Universidade de Nanquim, inspirado pela estrutura das folhas de nenúfar, projetou uma estrutura de vários estágios (dispositivo de conversão fototérmica-vapor de Estrutura Hierárquica Inspirada em Nenúfar (WHS), que pode atingir 80% de eficiência de conversão fototérmica ao tratar 10% em peso de água salgada altamente concentrada e 30% em peso de águas residuais. Vale ressaltar que a eficiência de conversão fototérmica não diminui significativamente durante o tratamento de salmoura e águas residuais altamente concentradas até que a evaporação esteja completa (ou seja, "descarga zero") e a superfície permaneça limpa. O trabalho foi publicado na Science Advance sob o título "Um Projeto Hierárquico Inspirado em Nenúfar para Evaporação Solar Estável e Eficiente de Salinidade Elevada".
- Nanoenergia: dissulfeto de molibdênio para evaporação fototérmica de água
Pesquisadores do grupo de Lifeng Wan, no Instituto de Materiais de Fronteira da Universidade Deakin, desenvolveram uma série de heteroestruturas de dissulfeto de metal de transição e nitreto rico em nitrogênio para evaporação solar de água por meio de transformação cristalina parcial. Em particular, essas heteroestruturas 2D avançadas exibem absorção espectral aprimorada na faixa do infravermelho e excelente estabilidade química em diferentes soluções, incluindo água, ácidos e bases. Mais importante ainda, devido à intensidade de absorção espectral aprimorada e à perda de calor reduzida, o dispositivo solar térmico MoS₂-Mo₅N₆/ espuma de melamina (MF) apresenta alta taxa de evaporação (2.31 kg m⁻² h⁻¹) e eficiência de conversão (106.6%), que são 1.4 e 4.7 vezes maiores do que as dos dispositivos solares MoS₂/MF e MF/água, respectivamente. Este trabalho fornece uma série de heteroestruturas 2D-2D avançadas de TMDs-nitreto rico em nitrogênio com excelente desempenho fototérmico para geração de água solar. Este trabalho foi publicado na Nano Energy, uma das principais revistas internacionais, com o título “Heteroestruturas 2D-2D avançadas de dicalcogenetos de metais de transição e nitretos ricos em nitrogênio para geração de água por energia solar”.
Espera-se que a tecnologia de evaporação de água fototérmica solar resolva a escassez global de água limpa. O que precisa ser resolvido agora é a preparação de baixo custo de materiais fototérmicos, a operação de alta eficiência, bem como a estabilidade e a portabilidade de uso em ambientes de aplicação prática. Esperamos mais resultados no futuro para o benefício imediato de toda a humanidade!
Para obter mais informações sobre espuma de melamina, entre em contato conosco pelo e-mail [email protected] ou ligue para +86-28-8411-1861.
Algumas imagens e textos são reproduzidos da Internet, e os direitos autorais pertencem ao autor original. Se houver qualquer violação, entre em contato conosco para excluir.