Нановолокна повышают скорость испарения в эффективном солнечном парогенераторе
Хэфэй (Китай) - 2,1 миллиарда человек не имеют доступа к чистой и постоянно доступной питьевой воде, согласно текущему мировому отчету Организации Объединенных Наций о воде за 2019 год. Хотя опреснение морской воды может частично устранить этот недостаток, испарительные установки, используемые до сих пор, требуют много энергии. Солнечные испарители являются устойчивой альтернативой для этого, поскольку они работают исключительно на солнечном свете. Особенно эффективный прототип китайские ученые теперь разработали на основе нановолокна из целлюлозы. Как сообщают в журнале "Nano Letters", таким образом, на небольшой площади в один квадратный метр можно получить до трех литров питьевой воды в час.
Для своего прототипа Цин-фан Гуань и его коллеги из Университета науки и технологий Китая в Хэфэе использовали как можно больше натуральных и дешевых материалов. Во-первых, они распылили питательную жидкость с бактериями типа Gluconacetobacter xylinus на тонкую деревянную доску. В результате микробы произвели нановолокна диаметром от 20 до 100 нанометров из целлюлозы через процесс ферментации. Примерно через день образовалась сеть из этих нановолокон, которая также распространилась на слой древесины, обеспечивая хороший транспорт воды.
Но одних только бактериальных нановолокон было недостаточно, чтобы испарять большое количество воды только за счет тепла солнечного света. Таким образом, исследователи добавили тонкий слой темных углеродных нанотрубок на поверхности, которые могут поглощать солнечный свет по всему спектральному диапазону – от ультрафиолетового до инфракрасного света. Чтобы дополнительно сосредоточить солнечное тепло на поверхности, они использовали очень маленькие полые стеклянные шарики в качестве изоляционного слоя на границе с древесиной. Стеклянные шарики и углеродные нанотрубки при этом удерживались вместе сетью целлюлозных волокон в прочном слое и фиксировались на деревянной доске.
Эффективность этого солнечного испарителя Гуань и его коллеги проанализировали под искусственным солнечным светом. После того, как вода проникла в древесину со дна, она была транспортирована на поверхность по нановолокнам. Поверхность, в свою очередь, была нагрета солнечным светом до чуть менее 40 градусов по Цельсию. Этого тепла было достаточно, чтобы выпаривать до 2,9 литра воды в час и квадратный метр. Таким образом, 80 процентов солнечной энергии можно было использовать для испарения воды. За эту высокую эффективность отвечают, прежде всего, нановолокно. Потому что внутри волокон потребность в тепле снижается, чтобы испарять воду. Эта так называемая Энтальпия испарения воды может быть уменьшена примерно на 60 процентов по сравнению с теоретическим значением.
Чтобы в будущем опреснить морскую воду в богатых солнцем прибрежных районах, этот солнечный испаритель может быть в принципе дешевым и производиться в больших масштабах. Однако стабильность нановолокна до сих пор оставалась нетронутой только в течение двух недель. Тем не менее, с оптимизированным производственным процессом исследователи надеются продлить срок годности солнечных испарителей, по крайней мере, до нескольких месяцев.