Het genereren van zonnedamp op het grensvlak heeft een groot potentieel voor ontzilting en afvalwaterbehandeling met een hoge efficiëntie van energieconversie. Hoge waterverdampingssnelheden kunnen niet worden gehandhaafd met behulp van bestaande technieken, echter, door onvermijdelijke vervuiling of zoutophoping op de zonneabsorbers die een versnelde degradatie van de apparaten veroorzaken. In een recente studie, Ning Xu en collega's van het National Laboratory of Solid State Microstructures, College of Engineering and Applied Sciences en Artificial Functional Materials in China hebben een op waterlelie geïnspireerde hiërarchische structuur aangetoond om efficiënte zonneverdamping van pekel en afvalwater met een hoog zoutgehalte mogelijk te maken.

Het experimentele apparaat maakte de verdamping mogelijk van pekel met een hoog zoutgehalte en afvalwater dat zware metaalionen bevat, zonder de verdampingssnelheid te verminderen of de absorbers te vervuilen tijdens het hele proces om het water en de opgeloste stof volledig te scheiden. De nieuwe en verbeterde methode zal directe gevolgen hebben op verschillende gebieden, zoals afvalwaterzuiveringsinstallaties, zeezoutproductie en metaalrecycling. De resultaten van het onderzoek zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Zoetwaterschaarste is een ernstige wereldwijde crisis als gevolg van de toenemende wereldbevolking en aanzienlijke niveaus van consumptie en verontreiniging van zoetwaterlichamen. Wetenschappers ontwikkelden een verscheidenheid aan waterbehandelingstechnologieën, inclusief omgekeerde osmose (RO) en ultrafiltratie om de druk van voortdurende zoetwateronttrekking te verminderen en de milieu-impact van geloosd afvalwater te verminderen. Bijvoorbeeld, Zero Liquid Discharge (ZLD) werd voorgesteld als een ultieme techniek om opgeloste stof en water volledig te scheiden voor hergebruik, terwijl de schadelijke ecologische effecten tijdens de afvalwaterbehandeling worden geminimaliseerd. Echter, een energie-efficiënte en kosteneffectieve methode om geconcentreerde pekel te behandelen moet nog worden ontwikkeld voor grootschalige ZLD-implementaties.

Een belangrijke uitdaging met reguliere technieken zoals RO is de dramatische druk (energie) die nodig is tijdens het filterproces met verhoogde pekelconcentratie; wat resulteert in hoge energiekosten voor waterbehandeling. Als resultaat, nieuwe wegen moeten worden verkend, met specifieke aandacht voor hooggeconcentreerde pekel of afvalwater om water en de opgeloste stof volledig te scheiden met minimale energiekosten in combinatie met milieuveiligheid op lange termijn. Onderzoekers hadden eerder verschillende strategieën onderzocht om gedurende een lange periode hoge verdampingssnelheden van geconcentreerde pekel te behouden. Voorbeelden hiervan zijn door mangrovebomen geïnspireerde "kunstmatige bladeren, " methoden om de watertoevoer te vergroten om zoutafzettingen op absorbers en zonne-ontzilting op te lossen met relatief stabiele prestaties gedurende 120 uur.

Een op waterlelie geïnspireerd ontwerp dat in het huidige werk is geïntroduceerd, is een elegant transpiratiesysteem met verschillende inheemse kenmerken. In een natuurlijke waterlelie, het belangrijkste kenmerk is een bovenste epidermis die zonlicht absorbeert in het gezelschap van huidmondjes voor het ontsnappen van waterdamp met behoud van een hydrofoob zelfreinigend oppervlak. Als tweede kenmerk, de plant kan van nature op het wateroppervlak drijven vanwege een luchtkamer (lacunes) die zich aan de onderkant van het blad bevindt. Derde, het bloemdessin kan worden beperkt tot een waterpad dat water door vaatbundels oppompt en naar het oppervlak van de structuur verspreidt. Xu et al. hebben deze kenmerken nagebootst om een ​​op waterlelie geïnspireerde hiërarchische structuur (WHS) voor te stellen en een zeer efficiënte en stabiele zonneverdamping te realiseren in pekel/afvalwater met een hoog zoutgehalte voor een volledige scheiding van water en opgeloste stoffen.

In het nieuwe WHS-apparaat, Xu et al. deed de waterlelie na, te beginnen met een bovenste zonne-absorber die hiërarchisch is ontworpen om zonlicht te absorberen en continue dampontsnapping te bieden via 'kunstmatige huidmondjes'. Ze ontwikkelden oppervlaktemodificaties van nanostructuren op de zonneabsorber voor hydrofobe eigenschappen - net zoals de waterlelie; voorkomen dat er water in de absorber komt voor een efficiënte verdamping door de zon. Net als bij de lacunes (luchtkamer) van de plant, een bodemstandaard ondersteunde de hele structuur om van nature op water te drijven en diende als een thermische isolatielaag om warmteverliezen te minimaliseren. Net als zijn natuurlijke tegenhanger, de WHS ondersteunde alleen water om op te stijgen door de afgesloten kanalen met gaten in de onderste standaard.

De wetenschappers kozen koper (Cu) schuim als het eerste substraat om de WHS te ontwikkelen vanwege de hoge thermische geleidbaarheid en poriën van microns om het ontsnappen van damp te vergemakkelijken. Vervolgens transformeerden ze het gladde oppervlak van Cu in mesachtige nanoplaten met behulp van chemisch etsen om lichtvangeffecten op nanoschaal te ontwikkelen en de absorptie van de zon te verbeteren. Ze volgden deze stap door de oppervlakteabsorber te coaten met een laag aluminiumoxide (Al ₂ O ₃ ) gedecoreerd met carbon black (CB) nanodeeltjes om het oppervlak te beschermen en de absorptie van zonlicht bij infrarood (IR) te verbeteren.

Om de verdampingsprestaties van WHS te testen, Xu et al. behandeld gedeïoniseerd water, 10 gewichtspercenten pekel en 30 gewichtsprocent afvalwater (met een oplossing van zware metalen) onder eenzonlicht. Toen ze de verdampingssnelheden in de gaten hielden, de waarden waren vergelijkbaar met hoogwaardige zonneabsorbers zoals eerder gemeld. Toen ze het zuiverende effect van ontzilting en afvalwaterzuivering via WHS testten, de ionenconcentraties in zeewater (Na ⁺ , Mg ²⁺ , Ca ²⁺ ) en afvalwater (Ni ²⁺ , CD ²⁺ ) of Nee ⁺ in pekel aanzienlijk verminderd. De zuiveringsnormen voldeden aan de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) norm voor drinkwater of norm voor lozing.

Om de stabiliteit van het apparaat op lange termijn te testen, Xu et al. voerde een continue, acht uur durend experiment met zonnewaterbehandeling onder een zonnesimulator in het laboratorium om rekening te houden met de afwezigheid van prestatievermindering en vervuilingsproblemen. Voor deze, ze vergeleken de WHS en een conventionele zonneabsorber met vergelijkbare verdampingssnelheden die zijn aangetoond voor zuiver water. Tijdens de ontziltingsexperimenten het oppervlak van de WHS bleef tijdens de verdamping schoon om zijn antifouling-capaciteit aan te geven.

Ter vergelijking, zout dat zich geleidelijk ophoopt op het conventionele oppervlak van de zonneabsorber, het blokkeren van zonlichtabsorptie (energie-input). Xu et al. merkte op dat de gemiddelde verdampingssnelheid van WHS veel hoger was dan die van de zonneabsorber gedurende 8 uur van het experiment. Toen ze een soortgelijk experiment uitvoerden gedurende 18 dagen buiten in natuurlijk zonlicht, de verdampingssnelheid was stabiel voor WHS en nam af voor conventionele zonneabsorbers.

Bij het behandelen van pekel en afvalwater onder zonneabsorptie, de WHS vergemakkelijkte met name de volledige scheiding van water en de opgeloste stof. Daarna, de wetenschappers verwijderden gemakkelijk de resterende zout / opgeloste kristallen na volledige waterverdamping. Op deze manier, Ning Xu en collega's demonstreerden een nieuw WHS-apparaat dat snelle en stabiele verdamping kan uitvoeren bij langdurige behandeling van pekel met een hoog zoutgehalte of hooggeconcentreerd zout water. Ze bereikten een volledige scheiding van het water en de opgeloste stof zonder vervuiling (ophoping van zout/opgeloste stof) op het apparaat. De wetenschappers verwachten dat het apparaat directe implicaties zal hebben in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder de productie van zeezout, terugwinning van hulpbronnen en chemische fractionering in de nabije toekomst.

© 2019 Wetenschap X Netwerk