Kekurangan air bersih merupakan tantangan yang semakin serius bagi pembangunan sosial. Dilaporkan bahwa 29% dari populasi global kekurangan air minum yang aman, dan permintaan akan air bersih masih meningkat karena pertumbuhan populasi dan masalah lingkungan. Air bersih yang terkait dengan sanitasi sangat penting dalam konteks wabah penyakit koronavirus (neocoronavirus pneumonia) saat ini. Penguapan air bertenaga surya dianggap sebagai salah satu teknologi yang paling menjanjikan untuk menghasilkan air bersih dari air laut dan air limbah dengan menggunakan sinar matahari sebagai satu-satunya masukan energi. Teknologi ini sangat bergantung pada penyerap surya, yang bertindak sebagai evaporator untuk mengubah energi matahari menjadi panas untuk menghasilkan uap. Untuk mencapai tingkat penguapan air yang tinggi dan efisiensi konversi panas matahari, material yang ideal harus memiliki rentang serapan yang luas untuk secara efisien memanfaatkan sebagian besar spektrum matahari, konduktivitas termal yang rendah untuk menekan kehilangan panas, dan saluran berpori tiga dimensi (3D) untuk transportasi air yang efisien. Sejauh ini, para ilmuwan telah mengembangkan berbagai material fototermal berdasarkan karbon (misalnya, graphene atau karbon nanotube), polimer, logam dan oksida logam serta hibridanya, dll.
Para ilmuwan telah bekerja keras untuk mengeksplorasi dan membuat banyak terobosan dalam beberapa tahun terakhir, jadi mari kita belajar dari beberapa publikasi topikal tentang kemajuan penelitian dalam pembangkitan air bersih fototermal dalam beberapa tahun terakhir.
- Nature Communications: Daun tanaman menginspirasi pemurni air bertenaga surya dan berefisiensi tinggi
Daun tumbuhan berpembuluh alami bergantung pada perbedaan tekanan osmotik, transpirasi, dan ekskresi untuk menghasilkan berton-ton air bersih, yang didukung oleh sinar matahari. Terinspirasi oleh hal ini, para peneliti dalam kelompok Chun Li di Universitas Qinghua telah melaporkan alat pemurni air bertenaga sinar matahari untuk pemurnian dan produksi air yang efisien. Alat pemurni bertenaga sinar matahari ini memiliki hidrogel poli(N-isopropilakrilamida) (PN) responsif suhu negatif yang ditambatkan pada kerangka busa melamin superhidrofilik dan dilapisi dengan membran filter graphene (PG) yang dimodifikasi PNIPAm di bagian luar. Simulasi dinamika molekuler dan hasil eksperimen menunjukkan bahwa sifat superhidrofilik dari kerangka melamin yang relatif kaku secara signifikan mempercepat laju pembengkakan/pengempisan alat pemurni PNPG-F. Di bawah intensitas radiasi sinar matahari yang sama, struktur yang direkayasa secara rasional ini memberikan pengumpulan 4.2 kg/m2/jam dan penghilangan ion > 99% untuk satu PNPG-F dari umpan air garam melalui efek sinergis penguapan dan penambahan tetes. Penulis membayangkan potensi aplikasi yang besar untuk sistem bertenaga sinar matahari yang sangat efisien ini dalam berbagai aplikasi pengolahan air. Studi ini diterbitkan sebagai makalah berjudul “Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production” di subjurnal Nature communications.
- Kemajuan Sains: Jaringan polimer hidrogel penyerap cahaya yang sangat terhidrasi untuk pemurnian air tenaga surya
Penguapan air tenaga surya untuk pemurnian air merupakan teknologi yang menjanjikan untuk produksi air tawar. Akan tetapi, pembangkitan uap tenaga surya membutuhkan banyak energi, sehingga produksi air rendah di bawah sinar matahari alami. Oleh karena itu, ada kebutuhan besar untuk mengembangkan material baru yang dapat mengurangi permintaan energi untuk penguapan air dan mempercepat pemurnian air tenaga surya. Kelompok Profesor Guihua Yu di Austin, Texas, AS, melaporkan hidrogel penyerap cahaya yang sangat terhidrasi (h-LAH) yang terdiri dari polivinil alkohol dan kitosan sebagai tulang punggung hidrasi dan polipirol sebagai penyerap cahaya, yang dapat menggunakan lebih sedikit energi (<50% dari volume air) untuk menguapkan air. Telah dibuktikan bahwa peningkatan kapasitas hidrasi h-LAH dapat mengubah keadaan air dan mengaktifkan air sebagian, sehingga memfasilitasi penguapan air. h-LAH meningkatkan produksi uap tenaga surya hingga mencapai rekor ~3.6 kg/m2/jam dalam 1 matahari. Penguapan air tenaga surya berbasis h-LAH juga menunjukkan daya tahan jangka panjang dan sifat anti-fouling terhadap kontaminan ionik kompleks. Penelitian ini dipublikasikan dalam sebuah makalah berjudul “Daun tanaman menginspirasi pemurni bertenaga sinar matahari untuk produksi air bersih berefisiensi tinggi” di subjurnal sains, Science Advances.
- Angew: Bahan COF dengan superhidrofilisitas dan penyerapan cahaya panjang gelombang lebar untuk penguapan air fototermal
Sifat hidrofobisitas yang melekat dan penyerapan cahaya yang terbatas pada polimer organik berpori, terutama di wilayah inframerah dekat (NIR), merupakan dua hambatan yang menghambat penerapannya dalam pembangkitan uap surya (SSG). Para peneliti dalam kelompok Xiaoli Yan di Universitas Jilin telah mengembangkan kerangka organik kovalen (COF) berdasarkan 1,4,5,8 tetrakis(fenilamino)antrasena-9,10-dion (TPAD) (TPAD-COF), yang dicirikan oleh sifat superhidrofilisitas dan penyerapan cahaya yang luas yang meliputi SSG dari seluruh wilayah NIR UV/tampak. TPAD-COF, sebagai bahan konversi fototermal yang efisien tanpa aditif apa pun, menunjukkan penguapan air yang sangat baik sebesar 1.42 kg/m2/jam dan mencapai efisiensi konversi energi yang tinggi sebesar 94% di bawah satu kali penyinaran intensitas surya. Perluasan lebih lanjut dari rentang penyerapan cahaya COF berbasis TPAD dicapai dengan modifikasi pasca-sintesis molekul BF2 yang dikelat. Eksperimen dan analisis kontrol sistematis mengonfirmasi bahwa sifat hidrofilisitas bahan konversi fototermal memainkan peran yang lebih dominan dalam COF berbasis TPAD saat ini yang digunakan untuk penguapan air fototermal. Karya penelitian yang berjudul “Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation,” diterbitkan dalam jurnal internasional papan atas Angewise. Karya tersebut diterbitkan dalam jurnal internasional papan atas Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: Hidrogel COF/grafen daerah ganda hidrofilik-hidrofobik untuk penguapan air fototermal
Penguapan air tenaga surya adalah teknologi pengolahan air berkelanjutan yang dapat membantu mengatasi kelangkaan air global. Namun, teknologi ini menghadapi tantangan besar karena konsumsi energi yang tinggi dan tingkat penguapan air yang rendah. Kelompok Prof. Arne Thomas di Universitas Teknik Berlin, Jerman, melaporkan kerangka organik kovalen (COF)/hidrogel wilayah ganda grafena yang mengandung wilayah hidrofilik dan hidrofobik dalam satu bahan melalui strategi pertumbuhan in situ yang sederhana. COF hidrofilik menutupi sebagian wilayah grafena hidrofobik. Dengan kontrol yang tepat dari dua wilayah pembasahan, hidrogel hibrida menunjukkan pemanenan cahaya yang efektif, keterbasahan yang dapat disetel, kadar air yang dioptimalkan, dan pengurangan kebutuhan energi untuk penguapan air. Sebagai penyerap surya, hidrogel wilayah ganda mencapai tingkat pembangkitan uap hingga 3.69 kg/m2/jam untuk 1 penyinaran matahari (1kw/m2), yang sebanding dengan bahan canggih lainnya. Selain itu, evaporator hidrogel ini dapat digunakan untuk menghasilkan air minum dari air laut dan limbah, yang menunjukkan potensi pengolahan air. Karya penelitian ini dipublikasikan dalam jurnal JACS dengan judul “A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation”, JACS, jurnal internasional terkemuka.
- Kemajuan Sains: Evaporator air fototermal efisiensi tinggi yang terinspirasi dari struktur bilah bunga lili air
Dalam beberapa tahun terakhir, pembangkitan uap surya antarmuka telah menunjukkan potensi besar dalam mencapai efisiensi konversi energi yang tinggi untuk desalinasi dan pengolahan air limbah. Namun, tingkat penguapan yang tinggi tidak dapat dipertahankan karena akumulasi kotoran atau garam yang tampaknya tak terelakkan pada penyerap surya. Degradasi dipercepat saat konsentrasi zat terlarut meningkat. Untuk mengatasi masalah ini, kelompok Prof. Jia Zhu di Universitas Nanjing, yang terinspirasi oleh struktur daun teratai, merancang perangkat konversi uap fototermal (Struktur Hirarkis yang Terinspirasi dari Teratai Air (WHS)) yang memiliki struktur multi-tahap, yang dapat mencapai efisiensi konversi fototermal sebesar 80% saat mengolah 10 wt% air garam yang sangat pekat dan 30 wt% air limbah. Perlu disebutkan bahwa efisiensi konversi fototermal tidak berkurang secara signifikan selama pengolahan air garam dan air limbah yang sangat pekat hingga penguapan selesai (yaitu, "tanpa pembuangan"), dan permukaan tetap bersih. Karya tersebut diterbitkan di Science Advance dengan judul "Desain Hirarkis yang Terinspirasi dari Teratai Air untuk Penguapan Surya yang Stabil dan Efisien pada Air Garam dengan Salinitas Tinggi".
- Energi nano: Molibdenum disulfida untuk penguapan air fototermal
Para peneliti di kelompok Lifeng Wan di Institut Material Perbatasan Universitas Deakin telah mengembangkan serangkaian heterostruktur disulfida logam transisi dan nitrida kaya nitrogen untuk penguapan air tenaga surya melalui transformasi kristal parsial. Secara khusus, heterostruktur 2D canggih ini menunjukkan peningkatan penyerapan spektral dalam rentang inframerah dan stabilitas kimia yang sangat baik dalam berbagai larutan, termasuk air, asam, dan basa. Lebih penting lagi, karena peningkatan intensitas penyerapan spektral dan pengurangan kehilangan panas, perangkat termal surya MoS2-Mo5N6/ busa melamin (MF) menunjukkan laju penguapan tinggi (2.31 kg m-2h-1) dan efisiensi konversi (106.6%), yang masing-masing 1.4 dan 4.7 kali lebih tinggi daripada perangkat surya MoS2/MF dan MF/air. Karya ini menyediakan serangkaian heterostruktur 2D-2D TMDs-nitrida kaya nitrogen canggih dengan kinerja fototermal yang sangat baik untuk pembangkitan air tenaga surya. Karya ini diterbitkan di Nano energy, sebuah jurnal internasional terkemuka, dengan judul “Heterostruktur 2D-2D canggih dari dikalkogenida logam transisi dan nitrida kaya nitrogen untuk pembangkitan air tenaga surya”.
Teknologi penguapan air fototermal tenaga surya diharapkan dapat mengatasi kelangkaan air bersih global, yang perlu segera diatasi adalah persiapan material fototermal berbiaya rendah, pengoperasian dengan efisiensi tinggi, serta kestabilan dan portabilitas penggunaan di lingkungan aplikasi praktis. Kami nantikan lebih banyak lagi hasil di masa mendatang demi manfaat awal bagi seluruh umat manusia!
Untuk informasi lebih lanjut mengenai Busa Melamin, silakan hubungi kami di [email protected] atau hubungi kami melalui telepon: +86-28-8411-1861.
Beberapa gambar dan teks direproduksi dari Internet, dan hak cipta dimiliki oleh penulis asli. Jika terjadi pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.