Generering av gränssnittssolenergi har stor potential för avsaltning och avloppsvattenrening med hög energiomvandlingseffektivitet. Höga vattenavdunstningshastigheter kan inte upprätthållas med befintliga tekniker, dock, på grund av oundviklig nedsmutsning eller saltansamling på solabsorbenterna som orsakar accelererad nedbrytning av enheterna. I en nyligen genomförd studie, Ning Xu och kollegor vid National Laboratory of Solid State Microstructures, College of Engineering and Applied Sciences och artificiella funktionella material i Kina har visat en näckrosinspirerad hierarkisk struktur för att underlätta effektiv solavdunstning av saltlösning och avloppsvatten med hög salthalt.

Den experimentella enheten möjliggjorde avdunstning av saltlake med hög salthalt och avloppsvatten innehållande tungmetalljoner, utan att minska avdunstningshastigheten eller smutsa ner absorbatorerna under hela processen för att helt separera vattnet och det lösta ämnet. Den nya och förbättrade metoden kommer att ha direkta implikationer inom en mängd olika områden, såsom reningsanläggningar för avloppsvatten samt produktion av havssalt och metallåtervinning. Resultaten av studien publiceras nu på Vetenskapliga framsteg .

Sötvattenbrist är en allvarlig global kris på grund av den ökande globala mänskliga befolkningen och betydande nivåer av konsumtion och förorening av sötvattenförekomster. Forskare utvecklade en mängd olika vattenbehandlingstekniker, inklusive omvänd osmos (RO) och ultrafiltrering för att lindra trycket från fortsatt sötvattenuttag och minska miljöpåverkan från utsläppt avloppsvatten. Till exempel, Zero Liquid Discharge (ZLD) föreslogs som en ultimat teknik för att helt separera löst ämne och vatten för återanvändning, samtidigt som de skadliga ekologiska effekterna minimeras under rening av avloppsvatten. Dock, en energieffektiv och kostnadseffektiv metod för att behandla koncentrerad saltlösning återstår att utveckla för storskaliga ZLD-implementeringar.

En betydande utmaning med vanliga tekniker som RO är det dramatiska trycket (energin) som krävs under filtreringsprocessen med ökad saltlösningskoncentration; vilket resulterar i höga energikostnader för vattenrening. Som ett resultat, nya vägar bör utforskas med särskilt fokus på högkoncentrerad saltlösning eller avloppsvatten för att helt separera vatten och det lösta ämnet med minimala energikostnader kopplat till långsiktig miljösäkerhet. Forskare hade tidigare utforskat flera strategier för att upprätthålla höga avdunstningshastigheter från koncentrerad saltlösning under en lång tidsperiod. Exempel inkluderar mangroveträd inspirerade "konstgjorda löv, " metoder för att öka vattentillförseln för att lösa upp saltsediment på absorbatorer och solavsaltning med relativt stabil prestanda i 120 timmar.

En näckrosinspirerad design som introduceras i detta arbete är ett elegant system av transpiration med flera inhemska egenskaper. I en naturlig näckros, den primära egenskapen är en övre epidermis som absorberar solljus i sällskap med stomata för att strömma ut vattenånga samtidigt som den behåller en hydrofob självrengörande yta. Som en andra funktion, växten kan naturligt flyta på vattenytan på grund av en luftkammare (lakuner) som finns längst ner på bladet. Tredje, den blommiga designen kan begränsas till en vattenbana som pumpar upp vatten genom kärlknippen och sprider dem till strukturens yta. Xu et al. efterliknade dessa funktioner för att föreslå en näckrosinspirerad hierarkisk struktur (WHS) och realisera mycket effektiv och stabil solavdunstning i saltlake/avloppsvatten med hög salthalt för fullständig separation av vatten och lösta ämnen.

I den nya WHS-enheten, Xu et al. härmade näckrosen, börjar med en toppsolabsorbent hierarkiskt utformad för att absorbera solljus och ge kontinuerlig ångavgång genom "konstgjorda stomata". De utvecklade ytmodifieringar av nanostruktur på solabsorbatorn för hydrofoba egenskaper - ungefär som näckrosen; förhindrar att vatten tränger in i absorbatorn för effektiv solavdunstning. I likhet med växtens luckor (luftkammare), ett bottenstativ stödde hela strukturen så att den naturligt flyter på vatten samtidigt som den tjänade som ett värmeisoleringsskikt för att minimera värmeförlusterna. Som sin naturliga motsvarighet, WHS stödde endast vatten att stiga upp genom de begränsade kanalerna som innehöll hål i bottenstativet.

Forskarna valde koppar (Cu) skum som det ursprungliga substratet för att utveckla WHS på grund av dess höga värmeledningsförmåga och mikronstora porer för att underlätta ångavgång. De förvandlade sedan den släta ytan av Cu till knivliknande nanoplattor med hjälp av kemisk etsning för att konstruera ljusfångande effekter i nanoskala och förbättra solabsorptionen. De följde detta steg genom att belägga ytabsorbatorn med ett lager av aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) dekorerad med kimrök (CB) nanopartiklar för att skydda ytan och förbättra solljusabsorptionen vid infraröd (IR).

För att testa förångningsprestandan hos WHS, Xu et al. behandlat avjoniserat vatten, 10 viktprocent saltlösning och 30 viktprocent avloppsvatten (innehållande en tungmetalllösning) under ensolsbelysning. När de övervakade avdunstningshastigheterna, värdena var jämförbara med högpresterande solabsorbenter som rapporterats tidigare. När de testade reningseffekten av avsaltning och rening av avloppsvatten via WHS, jonkoncentrationerna i havsvatten (Na ⁺ , Mg ²⁺ , Ca ²⁺ ) och avloppsvatten (Ni ²⁺ , CD ²⁺ ) eller Na ⁺ i saltlake reducerades avsevärt. Reningsstandarderna uppfyllde Världshälsoorganisationens (WHO) standard för dricksvatten eller standard för utsläpp.

För att testa enhetens långsiktiga stabilitet, Xu et al. genomfört en kontinuerlig, åtta timmars experiment med solvattenbehandling under en solsimulator i labbet för att ta hänsyn till frånvaron av prestandaförsämring och nedsmutsningsproblem. För detta, de jämförde WHS och en konventionell solfångare med liknande avdunstningshastigheter för rent vatten. Under avsaltningsexperimenten, ytan på WHS förblev ren under avdunstning för att indikera dess antifouling-förmåga.

Jämförelsevis, salt ackumuleras successivt på den konventionella solabsorbatorns yta, blockerar solljusabsorption (energiinmatning). Xu et al. noterade att den genomsnittliga avdunstningshastigheten för WHS var mycket högre än den för solabsorbatorn under 8 timmar av experimentet. När de utförde ett liknande experiment under 18 dagar utomhus under naturligt solljus, förångningshastigheten var stabil för WHS och minskade för konventionella solfångare.

Vid behandling av saltlake och avloppsvatten under solabsorption, WHS underlättade särskilt den fullständiga separationen av vatten och löst ämne. Därefter, forskarna tog lätt bort de kvarvarande salt/lösta kristallerna efter fullständig vattenavdunstning. På det här sättet, Ning Xu och medarbetare demonstrerade en ny WHS-enhet som kan utföra snabb och stabil avdunstning under långtidsbehandling av saltlösning med hög salthalt eller högkoncentrerat saltvatten. De uppnådde fullständig separation av vatten och löst ämne utan nedsmutsning (ansamling av salt/löst ämne) på enheten. Forskarna förväntar sig att enheten kommer att ha direkta implikationer i en mängd olika tillämpningar inklusive havssaltproduktion, resursåtervinning och kemisk fraktionering inom en snar framtid.

© 2019 Science X Network