Het efficiënt omhoog bewegen van water tegen de zwaartekracht in is een belangrijk staaltje menselijke techniek. toch een die bomen al honderden miljoenen jaren onder de knie hebben. In een nieuwe studie, onderzoekers hebben een op bomen geïnspireerd watertransportsysteem ontworpen dat capillaire krachten gebruikt om vuil water omhoog te drijven door een hiërarchisch gestructureerde aerogel, waar het vervolgens door zonne-energie kan worden omgezet in stoom om verse, schoon water.

De onderzoekers, geleid door Aiping Liu aan de Zhejiang Sci-Tech University en Hao Bai aan de Zhejiang University, hebben een artikel gepubliceerd over de nieuwe methode voor watertransport en zonnestoom in een recent nummer van ACS Nano . In de toekomst, efficiënte methoden voor watertransport hebben potentiële toepassingen in waterzuivering en ontzilting.

"Onze bereidingsmethode is universeel en kan worden geïndustrialiseerd, " vertelde Liu Phys.org . "Onze materialen hebben uitstekende eigenschappen en een goede stabiliteit, en kan vele malen worden hergebruikt. Dit biedt de mogelijkheid voor grootschalige ontzilting en rioolwaterzuivering in de toekomst."

Het nieuwe systeem bestaat uit twee hoofdcomponenten:een lange, poreus, ultralichte aerogel om water te transporteren, en een koolstof nanobuis laag bovenop de aerogel om zonlicht te absorberen en het water in stoom te veranderen. Het systeem is ingesloten in een glazen container. Water gaat door de poriën in de aerogel omhoog door capillaire krachten, die worden veroorzaakt door adhesie tussen de watermoleculen en het binnenoppervlak van de poriën. Zodra het water de top bereikt, de door zonne-energie verwarmde koolstofnanobuislaag verwarmt het water tot stoom, eventuele verontreinigingen achterlatend. De stoom condenseert aan de zijkanten van de omringende glazen container, het vormen van waterdruppels die naar de bodem van de container stromen in een opvangreservoir.

Dit ontwerp lijkt erg op het ontwerp dat planten gebruiken. Planten bevatten veel kleine xyleemvaten die water uit de grond omhoog trekken via hun takken en bladeren - soms honderden meters in de lucht. Zodra het water de bladeren bereikt, zonnestraling zorgt ervoor dat het water verdampt door kleine poriën in de bladeren, vergelijkbaar met de koolstof zonne-stoomgenerator.

Het opnieuw creëren van een efficiënt boomachtig watertransportsysteem was een uitdaging, waarbij de meeste eerdere pogingen relatief lage transportsnelheden vertoonden, korte transportafstanden, en een afname van de prestaties bij het transporteren van riool- en zeewater in vergelijking met schoon water. Met het nieuwe aerogel-ontwerp, de onderzoekers toonden verbeteringen op al deze gebieden, het bereiken van een opwaartse stroomprestatie van 10 cm in de eerste 5 minuten en 28 cm na 3 uur. Het systeem werkt ook even goed met schoon water, zeewater, riolering, en zandig grondwater. In aanvulling, de koolstofwarmtecollector behaalt een hoog energieomzettingsrendement tot 85%.

De sleutel tot de verbeteringen was het zorgvuldige ontwerp van de aerogel-architectuur. Om het materiaal te fabriceren, de onderzoekers goten de aerogelingrediënten in een koperen buis, die ze vervolgens onderwierpen aan een temperatuurgradiënt waarbij het koude uiteinde van de buis een koele -90 graden Celsius was. Hierdoor groeiden ijskristallen in een patroon in de aerogel langs de temperatuurgradiënt. Na het vriesdrogen van de buis, de resulterende aerogel vertoonde een hiërarchische structuur met radiaal uitgelijnde kanalen, micro-gerangschikte poriën, gerimpelde binnenoppervlakken, en moleculaire mazen. Deze kleine structuren hebben allemaal bijgedragen aan de goede prestaties van de aerogel.

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om de prestaties van het systeem verder te verbeteren om zich voor te bereiden op toepassingen.

"We hopen het experimentele schema verder te optimaliseren en grootschalige productie uit te voeren, " zei Liu. "We hopen ook de lengte van het watertransport verder te verbeteren, de snelheid van het watertransport, en de efficiëntie van de wateropvang, om praktische toepassingen beter uit te voeren."

© 2019 Wetenschap X Netwerk