Исследователи из Гонконгского политехнического университета разработали новый тип аэрогеля, который позволяет значительно эффективнее опреснять морскую воду по сравнению с существующими технологиями. Это открытие может стать важным шагом в решении глобальной проблемы нехватки пресной воды.
Об этом сообщает ProIT
Глобальный дефицит пресной воды и роль инноваций
Хотя около 71% поверхности Земли покрыто водой, лишь 3% из нее является пресной, а основная часть этой воды находится в виде ледников. Фактически, лишь 0,3% водных ресурсов планеты пригодны для потребления человеком, и эти объемы постоянно находятся под угрозой из-за изменения климата, загрязнения, урбанизации и роста населения. Более 2 миллиардов людей живут в регионах, где источники воды оказались загрязненными, в том числе патогенными микроорганизмами, вызывающими опасные болезни, такие как холера, дизентерия, диарея, полиомиелит и брюшной тиф.
Опреснение морской воды рассматривается как один из самых перспективных способов решения этой проблемы. Современные системы часто основываются на использовании пористых материалов, которые поглощают воду, испаряющуюся под воздействием солнечной энергии. Однако их масштабирование обычно приводит к снижению производительности из-за ограниченной проницаемости пара через мелкие поры и толстые стенки материала.
Инновационный аэрогель: конструкция и преимущества
Под руководством Си Шеня команда гонконгских ученых создала уникальный аэрогель, который превосходит предыдущие аналоги по эффективности опреснения. Губчатый аэрогель изготавливается с помощью 3D-печати слоями специальной пасты с углеродными нанотрубками и целлюлозными нановолокнами. Сразу после нанесения каждый слой замораживается, благодаря чему структура сохраняет тонкие границы между микроскопическими порами, что способствует лучшему испарению воды.
Для испытания аэрогеля исследователи поместили его в чашу с морской водой, накрытую прозрачной изогнутой пластиковой крышкой. Солнечный свет проходил через пластик, нагревал аэрогель, и вода испарялась, конденсируясь на поверхности крышки. Оттуда капли стекали в воронку и собирались в отдельный резервуар. Процесс позволил получить около трех столовых ложек питьевой воды за цикл, и главное — аэрогель сохраняет эффективность даже при увеличении масштаба, в отличие от предыдущих решений.
«Ключевыми факторами, определяющими эффективность испарения в пористых испарителях, являются локализация тепла, перенос воды и перенос пара. В конструкции испарителей достигнуты значительные успехи, позволяющие реализовать высокоэффективную локализацию тепла и перенос воды», — объясняет Си Шень.
Фототермические материалы, которые преобразуют свет в тепло, получили широкое применение в технологиях опреснения. Предыдущие попытки применения гидрогелей оказались менее успешными, поскольку эти полимеры лучше удерживают воду, а не способствуют ее испарению. Напротив, аэрогели, которые удерживают воздух, имеют жесткую структуру, что позволяет эффективно пропускать как воду, так и пар.
Главной преградой для масштабного использования аэрогелей был спад эффективности при увеличении размера системы. Однако инновационная структура, напечатанная в несколько слоев, позволяет избежать этой проблемы, что открывает перспективы для промышленного применения технологии.
В настоящее время команда продолжает тестирование и усовершенствование аэрогеля, планируя провести широкомасштабные испытания для оценки долгосрочной эффективности. Как отметил профессор Си Шень, их работа находится на ранней стадии, но уже сейчас результаты исследования открывают новые возможности для обеспечения человечества чистой водой.