Фототермальні аерогелі перетворюють морську воду на питну за допомогою сонячної енергії

Вступ: Водна Нестача та Перспективи Сонячної Десалінізації

Поверхня Землі складається приблизно на 71 відсоток з води, однак лише 0,3 відсотка з цього є легко доступною прісною водою в озерах, ріках та струмках. Решта запасів або знаходиться в льодовиках, або є солоною через океани. Швидке зростання населення, зміни клімату, урбанізація та забруднення посилили проблему водної нестачі, внаслідок чого понад 2 мільярди людей у світі мають обмежений доступ до безпечної питної води. Патогенні мікроби у забруднених водах викликають захворювання, такі як холера, дизентерія та тиф, що підкреслює критичну необхідність у децентралізованих, енергоефективних технологіях очищення.

Проектування та Виготовлення Фототермального Аерогелю

Матеріали та Оптимізація Структури

Дослідники під керівництвом Сі Шена з Гонконгського політехнічного університету створили фототермальний аерогель, надрукований у 3D, який поєднує вуглецеві нанотрубки (CNT) для широкосмугового сонячного поглинання та целюлозні нанофібри (CNF) для забезпечення механічної міцності. Композит має масовий співвідношення CNT до CNF приблизно 1:4, що забезпечує специфічну поверхневу площу близько 85 м² на грам і діаметри пор в діапазоні 5–50 мкм. Ламелярна мікроструктура аерогелю та тонкі стінки (20–40 мкм) локалізують тепло на межі рідина-пара і сприяють швидкому транспорту води.

3D Друк та Заморожування

Аерогель виготовляється за допомогою процесу екструзії шар за шаром. Паста, що містить дисперговані CNT і CNF, екструдується через сопло діаметром 200 мкм на субстрат, охолоджений до −20 °C. Кожен надрукований шар відразу заморожується, фіксуючи ламелярну архітектуру перед наступною депозицією. Цей криогенний підхід до 3D-друку запобігає руйнуванню пористої структури та забезпечує однорідність на великих площах до 1 м².

Показники Продуктивності та Експериментальна Перевірка

• Швидкість випаровування: 1,70 кілограма на квадратний метр на годину під освітленням одного сонця (1 кВт/м²), що перевищує звичайні показники гідрогелів (≈1,2 кг/м²/год).
• Теплопровідність: ~0,035 Вт/м·К, що обмежує втрати тепла до маси води та субстрату.
• Механічна Міцність: Компресійний модуль 50 кПа, що дозволяє використовувати аерогель на плаваючих конструкціях.
• Довговічність: Не спостерігалося зниження продуктивності під час безперервних 7-денних випробувань на відкритому повітрі.

У лабораторних випробуваннях прозора кришка спрямовує сонячне світло на поверхню аерогелю. Випарована вода конденсується на куполі та стікає в збірний канал, даючи приблизно 3 столові ложки питної води за цикл. Підвищення масштабу до пілотних установок (0,25 м² активної площі) вказує на вихід 400 літрів на день при екваторіальному сонячному світлі.

Механізми Фототермального Перетворення

Мережа CNT поглинає 95 відсотків сонячних довжин хвиль від 300 до 2500 нм, перетворюючи фотони на теплову енергію через нерадіативну релаксацію. Ієрархічна структура пор сприяє капілярному транспорту солоної води до фронту випаровування, підтримуючи тонку рідинну плівку (<200 мкм). Цей підхід до локалізації тепла мінімізує теплові втрати і досягає температури поверхні близько 45 °C під одним сонцем, навіть при температурі навколишнього повітря 30 °C.

Масштабованість та Польові Випробування

Звичайні сонячні випарники втрачають продуктивність при масштабуванні через обмеження транспорту пари. Пористість цього аерогелю та його жорстка структура підтримують потік пари навіть при розмірах модулів, що перевищують 1 м². Тривають польові випробування в прибережних районах Південно-Східної Азії, які оцінюють сезонні коливання, біозабруднення та реальні цикли обслуговування. Ранні прототипи інтегрують фотогальванічні сенсори та моніторинг IoT для надання віддалених даних про продуктивність через мережі LoRaWAN.

Екологічний Вплив та Оцінка Життєвого Циклу

Попередній аналіз життєвого циклу вказує на низький вуглецевий слід аерогелю (<5 кг CO₂ екв. на м²), що переважно обумовлений виробництвом CNT. Дослідники вивчають можливості використання нанокарбонів з біомаси та систем відновлення розчинників для зменшення втіленої енергії. Стратегії на кінець життєвого циклу включають переробку CNF назад у целюлозу та відновлення CNT через термічне окиснення.

Порівняльний Аналіз з Існуючими Технологіями

1. Зворотний Осмос: Високі енергетичні вимоги (3–5 кВт·год/м³) та проблеми з скиданням розсолу.
2. Полімерні Гідрогелі: Ефективні на малих масштабах, але страждають від набряку, низького потоку (≈0,8 кг/м²/год) та обмеженої механічної міцності.
3. Фототермальні Плівки: Низька вартість, але схильні до забруднення та потребують частого заміщення.

Аерогель заповнює ці прогалини, поєднуючи високий потік, довговічність та модульну масштабованість без зовнішнього живлення.

“Наш наступний крок – багатомісячні польові випробування в віддалених прибережних селах”, – говорить Сі Шен. “Ми також співпрацюємо з дослідницькою групою MIT над гібридними установками десалінізації, які поєднують сонячне випаровування з мембранною дистиляцією.”

Перспективи та Майбутні Напрями

Останні публікації в Nature Materials та Joule висвітлюють нові фототермальні композити з використанням MXene наноаркушів і графенових аерогелів. Інтеграція цих досягнень з платформою 3D-друку Шена може ще більше підвищити швидкість випаровування понад 2,0 кг/м²/год. У міру розвитку сенсорних мереж, предиктивного обслуговування на основі штучного інтелекту та модульного виробництва, сонячна десалінізація з використанням фототермальних аерогелів може незабаром перейти з лабораторії до широкомасштабного впровадження.