La carenza di acqua dolce rappresenta una sfida sempre più seria per lo sviluppo sociale. Si stima che il 29% della popolazione mondiale non disponga di acqua potabile sicura e che la domanda di acqua pulita sia in continuo aumento a causa della crescita demografica e dei problemi ambientali. L'acqua pulita associata ai servizi igienico-sanitari è particolarmente importante nel contesto dell'attuale epidemia di coronavirus (polmonite da neocoronavirus). L'evaporazione dell'acqua a energia solare è considerata una delle tecnologie più promettenti per produrre acqua pulita dall'acqua di mare e dalle acque reflue, utilizzando la luce solare come unico apporto energetico. La tecnologia si basa in larga misura sugli assorbitori solari, che fungono da evaporatori per convertire l'energia solare in calore per produrre vapore. Per ottenere elevati tassi di evaporazione dell'acqua ed efficienze di conversione del calore solare, il materiale ideale dovrebbe avere un ampio intervallo di assorbanza per utilizzare in modo efficiente un'ampia porzione dello spettro solare, una bassa conduttività termica per ridurre la perdita di calore e canali porosi tridimensionali (3D) per un efficiente trasporto dell'acqua. Finora, gli scienziati hanno sviluppato vari materiali fototermici a base di carbonio (ad esempio, grafene o nanotubi di carbonio), polimeri, metalli e ossidi metallici e loro ibridi, ecc.
Negli ultimi anni gli scienziati hanno lavorato duramente per esplorare e realizzare numerose scoperte, quindi impariamo da diverse pubblicazioni di attualità sui progressi della ricerca sulla generazione di acqua pulita fototermica negli ultimi anni.
- Nature Communications: Le foglie delle piante ispirano un purificatore d'acqua ad alta efficienza alimentato ad energia solare
Le foglie delle piante vascolari naturali si affidano alle differenze di pressione osmotica, alla traspirazione e all'escrezione per produrre tonnellate di acqua pulita, grazie all'energia solare. Ispirandosi a questo principio, i ricercatori del gruppo di Chun Li presso l'Università di Qinghua hanno sviluppato un purificatore d'acqua a energia solare per una purificazione e produzione efficiente. Questo purificatore è costituito da un idrogel di poli(N-isopropilacrilammide) (PN) termosensibile negativo, ancorato a una struttura portante in schiuma di melammina superidrofila e rivestito esternamente con una membrana filtrante in grafene modificato con PNIPAm (PG). Simulazioni di dinamica molecolare e risultati sperimentali hanno dimostrato che la natura superidrofila della struttura portante in melammina, relativamente rigida, accelera significativamente la velocità di rigonfiamento/srigonfiamento del purificatore PNPG-F. Con la stessa intensità di irradiazione solare, questa struttura progettata razionalmente ha fornito una raccolta di 4.2 kg/m2/h e una rimozione di ioni superiore al 99% per un singolo PNPG-F da una soluzione salina, grazie agli effetti sinergici dell'evaporazione e dell'aggiunta a goccia. L'autore prevede grandi potenziali applicazioni per questo sistema altamente efficiente alimentato dalla luce solare in diversi ambiti del trattamento delle acque. Lo studio è stato pubblicato come articolo intitolato "Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production" sulla rivista Nature Communications.
- Progressi scientifici: reti polimeriche altamente idratabili di idrogel fotoassorbenti per la purificazione solare dell'acqua
L'evaporazione solare dell'acqua per la purificazione dell'acqua è una tecnologia promettente per la produzione di acqua dolce. Tuttavia, la generazione di vapore solare richiede molta energia, con conseguente bassa produzione d'acqua in condizioni di luce naturale. Pertanto, vi è una forte necessità di sviluppare nuovi materiali in grado di ridurre il fabbisogno energetico per l'evaporazione dell'acqua e accelerare la purificazione dell'acqua solare. Il gruppo del Professor Guihua Yu ad Austin, Texas, USA, ha descritto un idrogel altamente idratato ad assorbimento di luce (h-LAH) composto da alcol polivinilico e chitosano come struttura portante di idratazione e polipirrolo come assorbitore di luce, che può utilizzare meno energia (<50% del volume d'acqua) per evaporare l'acqua. È stato dimostrato che l'aumento della capacità di idratazione di h-LAH può modificare lo stato dell'acqua e attivarla parzialmente, facilitandone così l'evaporazione. h-LAH ha aumentato la produzione di vapore solare a un tasso record di ~3.6 kg/m²/h in 2 sole. L'evaporazione solare dell'acqua basata su h-LAH ha inoltre mostrato una durevolezza a lungo termine e proprietà anti-incrostazione contro contaminanti ionici complessi. La ricerca è stata pubblicata in un articolo intitolato “Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production” nella rivista scientifica Science Advances.
- Angew: Materiali COF con superidrofilia e assorbimento della luce ad ampia lunghezza d'onda per l'evaporazione fototermica dell'acqua
L'idrofobicità intrinseca e il limitato assorbimento della luce dei polimeri organici porosi, in particolare nella regione del vicino infrarosso (NIR), rappresentano due colli di bottiglia che ne ostacolano l'applicazione nella generazione di vapore solare (SSG). I ricercatori del gruppo di Xiaoli Yan presso l'Università di Jilin hanno sviluppato una struttura organica covalente (COF) basata su 1,4,5,8 tetrakis(fenilamino)antracene-9,10-dione (TPAD) (TPAD-COF), caratterizzata da superidrofilia e ampio assorbimento della luce che copre l'SSG dall'intera regione UV/visibile del vicino infrarosso (NIR). TPAD-COF, in quanto materiale di conversione fototermica efficiente e privo di additivi, mostra un'eccellente evaporazione dell'acqua di 1.42 kg/m²/h e raggiunge un'elevata efficienza di conversione energetica del 2% con un'irradiazione di intensità solare. Un'ulteriore estensione dell'intervallo di assorbimento della luce del COF basato su TPAD è stata ottenuta mediante modifica post-sintetica di molecole BF94 chelate. Esperimenti e analisi di controllo sistematico confermano che l'idrofilia del materiale di conversione fototermica gioca un ruolo più dominante negli attuali COF basati su TPAD utilizzati per l'evaporazione fototermica dell'acqua. Il lavoro di ricerca, intitolato "Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation", è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista internazionale Angewise. Il lavoro è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista internazionale Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: idrogel COF/grafene a doppia regione idrofilo-idrofobico per l'evaporazione fototermica dell'acqua
L'evaporazione solare dell'acqua è una tecnologia sostenibile per il trattamento delle acque che può contribuire ad alleviare la scarsità idrica globale. Tuttavia, questa tecnologia si trova ad affrontare notevoli sfide a causa dell'elevato consumo energetico e del basso tasso di evaporazione dell'acqua. Il gruppo del Prof. Arne Thomas dell'Università Tecnica di Berlino, in Germania, presenta un idrogel a doppia regione a struttura organica covalente (COF)/grafene che contiene sia regioni idrofile che idrofobiche in un unico materiale attraverso una semplice strategia di crescita in situ. La COF idrofila ricopre parte della regione idrofobica del grafene. Grazie al controllo preciso delle due regioni di bagnatura, l'idrogel ibrido mostra un'efficace raccolta della luce, una bagnabilità regolabile, un contenuto d'acqua ottimizzato e un ridotto fabbisogno energetico per l'evaporazione dell'acqua. Come assorbitore solare, l'idrogel a doppia regione raggiunge una velocità di generazione di vapore fino a 3.69 kg/m²/h per 2 irraggiamento solare (1 kW/m²), paragonabile ad altri materiali avanzati. Inoltre, questo evaporatore a idrogel può essere utilizzato per produrre acqua potabile da acqua di mare e acque reflue, dimostrando il potenziale del trattamento delle acque. Il lavoro di ricerca è stato pubblicato sulla rivista JACS, una delle principali riviste internazionali, con il titolo "A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation".
- Progressi scientifici: evaporatore fototermico ad alta efficienza ispirato alla struttura della lama di ninfea
Negli ultimi anni, la generazione di vapore solare interfacciale ha mostrato un grande potenziale nel raggiungere un'elevata efficienza di conversione energetica per la desalinizzazione e il trattamento delle acque reflue. Tuttavia, tassi di evaporazione elevati non possono essere mantenuti a causa dell'accumulo apparentemente inevitabile di incrostazioni o sali sull'assorbitore solare. La degradazione è accelerata dall'aumento della concentrazione di soluti. Per affrontare questo problema, il gruppo del Prof. Jia Zhu presso l'Università di Nanchino, ispirandosi alla struttura delle foglie di ninfea, ha progettato un dispositivo di conversione fototermica del vapore con struttura multistadio (WHS, struttura gerarchica ispirata alle ninfee), in grado di raggiungere un'efficienza di conversione fototermica dell'80% trattando il 10% in peso di acqua salata altamente concentrata e il 30% in peso di acque reflue. Vale la pena ricordare che l'efficienza di conversione fototermica non diminuisce in modo significativo durante il trattamento di salamoia e acque reflue altamente concentrate fino al completamento dell'evaporazione (ovvero "scarico zero") e la superficie rimane pulita. Il lavoro è stato pubblicato su Science Advance con il titolo "A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine".
- Nanoenergia: bisolfuro di molibdeno per l'evaporazione fototermica dell'acqua
I ricercatori del gruppo di Lifeng Wan presso l'Institute for Frontier Materials della Deakin University hanno sviluppato una serie di eterostrutture di disolfuro di metalli di transizione e nitruro ricco di azoto per l'evaporazione solare dell'acqua tramite trasformazione cristallina parziale. In particolare, queste eterostrutture 2D avanzate mostrano un assorbimento spettrale potenziato nella regione dell'infrarosso e un'eccellente stabilità chimica in diverse soluzioni, tra cui acqua, acidi e basi. Ancora più importante, grazie all'intensità di assorbimento spettrale potenziata e alla ridotta dispersione di calore, il dispositivo solare termico MoS2-Mo5N6/ schiuma di melammina (MF) presenta un elevato tasso di evaporazione (2.31 kg m-2h-1) e un'efficienza di conversione (106.6%), che sono rispettivamente 1.4 e 4.7 volte superiori a quelle dei dispositivi solari MoS2/MF e MF/acqua. Questo lavoro fornisce una serie di eterostrutture 2D-2D avanzate di TMD-nitruro ricco di azoto con eccellenti prestazioni fototermiche per la produzione di acqua solare. Questo lavoro è stato pubblicato su Nano energy, una delle principali riviste internazionali, con il titolo "Eterostrutture 2D-2D avanzate di dicalcogenuri di metalli di transizione e nitruri ricchi di azoto per la generazione di acqua solare".
Si prevede che la tecnologia di evaporazione dell'acqua fototermica solare risolverà la carenza globale di acqua pulita; ciò che deve essere risolto ora è la preparazione a basso costo di materiali fototermici, un funzionamento ad alta efficienza, nonché la stabilità e la portabilità dell'uso in ambienti di applicazione pratica, in attesa di ulteriori risultati in futuro per il rapido beneficio di tutta l'umanità!
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