Att effektivt flytta vatten uppåt mot tyngdkraften är en stor bedrift inom mänsklig ingenjörskonst, ändå en som träd har bemästrat i hundratals miljoner år. I en ny studie, Forskare har designat ett trädinspirerat vattentransportsystem som använder kapillärkrafter för att driva smutsigt vatten uppåt genom en hierarkiskt strukturerad aerogel, där den sedan kan omvandlas till ånga med solenergi för att producera färsk, rent vatten.

Forskarna, leds av Aiping Liu vid Zhejiang Sci-Tech University och Hao Bai vid Zhejiang University, har publicerat en artikel om den nya metoden för vattentransport och generering av solånga i ett färskt nummer av ACS Nano . I framtiden, effektiva vattentransportmetoder har potentiella tillämpningar inom vattenrening och avsaltning.

"Vår beredningsmetod är universell och kan industrialiseras, " berättade Liu Phys.org . "Våra material har utmärkta egenskaper och god stabilitet, och kan återanvändas många gånger. Detta ger möjlighet till storskalig avsaltning och avloppsrening i framtiden."

Det nya systemet består av två huvudkomponenter:en lång, porös, ultralätt aerogel för att transportera vatten, och ett kolnanorörsskikt ovanpå aerogelen för att absorbera solljus och förvandla vattnet till ånga. Systemet är inneslutet i en glasbehållare. Vatten färdas uppåt genom porerna i aerogelen på grund av kapillärkrafter, som orsakas av vidhäftning mellan vattenmolekylerna och porernas insida. När vattnet når toppen, det soluppvärmda kolnanorörsskiktet värmer vattnet till ånga, lämnar eventuella föroreningar efter sig. Ångan kondenserar på sidorna av den omgivande glasbehållaren, bildar vattendroppar som rinner ner till botten av behållaren till en reservoar för uppsamling.

Denna design är mycket lik den som växter använder. Växter innehåller många små xylemkärl som drar vatten från marken upp genom sina grenar och löv - ibland hundratals fot i luften. När vattnet når löven, solstrålning får vattnet att avdunsta genom små porer i löven, liknande kolsolenergiånggeneratorn.

Att återskapa ett effektivt trädliknande vattentransportsystem har varit utmanande, med de flesta tidigare försök som uppvisade relativt låga transporthastigheter, korta transportsträckor, och en minskning av prestanda vid transport av avloppsvatten och havsvatten jämfört med rent vatten. Med den nya aerogeldesignen, forskarna visade förbättringar inom alla dessa områden, uppnår uppåtgående flödesprestanda på 10 cm under de första 5 minuterna och 28 cm efter 3 timmar. Systemet fungerar också lika bra med rent vatten, havsvatten, avlopp, och sandigt grundvatten. Dessutom, kolvärmeuppsamlaren uppnår en hög energiomvandlingseffektivitet på upp till 85 %.

Nyckeln till förbättringarna var den noggranna utformningen av aerogels arkitektur. För att tillverka materialet, forskarna hällde aerogelingredienserna i ett kopparrör, som de sedan utsattes för en temperaturgradient där den kalla änden av röret var svalt –90 grader Celsius. Detta fick iskristaller att växa i ett mönster i aerogelen längs temperaturgradienten. Efter frystorkning av tuben, den resulterande aerogelen visade en hierarkisk struktur med radiellt inriktade kanaler, mikrostora porer, skrynkliga inre ytor, och molekylära maskor. Dessa små strukturer bidrog alla till aerogelens goda prestanda.

I framtiden, forskarna planerar att ytterligare förbättra systemets prestanda för att förbereda för ansökningar.

"Vi hoppas kunna optimera experimentsystemet ytterligare och genomföra storskalig produktion, ", sa Liu. "Vi hoppas också kunna förbättra längden på vattentransporten ytterligare, hastigheten för vattentransport, och effektiviteten av vattenuppsamling, för att bättre kunna utföra praktiska tillämpningar."

© 2019 Science X Network