Вода – источник жизни и основа выживания всего сущего в мире. Хотя водный покров превышает 70% территории Земли, на которой мы живем, ресурсы пресной воды составляют менее 3%. Распределение этой пресной воды крайне неравномерно. Он существует в озерах, реках, под землей и во льдах Антарктики. Остается менее 1% пресной воды, доступной для потребления человеком.
Кроме того, из-за ряда проблем, таких как загрязнение окружающей среды и рост населения, глобальная нехватка ресурсов пресной воды в будущем станет еще более серьезной. Поэтому решение проблемы нехватки ресурсов пресной воды является первоочередной задачей.
13 сентября 2023 года китайские учёные опубликовали в журнале «Nature» статью о новых фототермических конверсионных материалах. Ожидается, что появление этого материала обеспечит человечеству устойчивый приток ресурсов пресной воды и обеспечит безопасное и достаточное снабжение пресной водой!
Источник изображения: журнал Nature.
Подготовка и принципы создания новых материалов
Солнечная энергия – это возобновляемый источник энергии, который широко используется для отопления и хранения энергии.Технология испарения межфазной воды с использованием солнечной энергии предлагается уже почти десять лет. То есть солнечная энергия поглощается и преобразуется в тепловую энергию, что способствует испарению молекул воды в водяной пар. Водяной пар собирается и используется для последующей обработки. Данная технология имеет широкие перспективы применения в области опреснения морской воды для получения чистой пресной воды. Использование солнечной энергии может облегчить потребление ископаемой энергии и решить ряд проблем загрязнения окружающей среды.
Суть этой технологии заключается в том, как повысить эффективность преобразования солнечной тепловой энергии. Новый высокоэффективный фототермический конверсионный материал, недавно разработанный китайскими учеными, вселяет надежду на широкое использование этой технологии!
Исходя из природы выделения тепла, вызванного взаимодействием солнечного света и вещества, ученые использовали химию, физику, расчеты и другие связанные эксперименты, чтобы обнаружить, что в субоксиде титана (TinO2n-1) существует димерная структура Ti-Ti. Эта структура будет ограничивать диапазон распределения движения электронов 3d-слоя электронной структуры за пределами ядра атома Ti, что приведет к реальной пространственной локализации электронов и появлению плоских зонных электронных состояний вблизи уровня Ферми, что приведет к увеличению совместной плотности состояний электронных переходов.
Основываясь на вышеизложенных принципах, в ходе дальнейших экспериментов было обнаружено, чтоБудучи веществом субоксида титана, λ-Ti3O5 поглощает более 95% солнечного света.
Спектры отражения и электронная структура. Источник изображения: Ссылка [1]
Далее ученые использовали материалы λ-Ti3O5 и поливиниловый спирт для обработки испарителей. Чтобы повысить эффективность испарения воды, испаритель был спроектирован в виде трехмерной пористой связанной структуры.
Эксперименты показали, что в условиях солнечного света (1 кВтм-2) с помощью этого устройства количество воды, испаряемой в час, может достигать 6,09 кгм-2, что является самым быстрым уровнем испарения воды, достигаемым в настоящее время с помощью технологии испарения воды на границе с солнечной энергией. В дальнейшем ученые использовали это оборудование в экспериментах по опреснению морской воды, а объем собираемой пресной воды в день может достигать 23 лм-2.
Видно, что если это оборудование будет использовано в области опреснения морской воды, можно будет достичь крупномасштабной подготовки пресной воды, что в значительной степени решит проблему нехватки ресурсов пресной воды и принесет новые идеи в очистку сточных и сточных вод.
Принципиальная схема работы трехмерного испарителя с пористой связной структурой (а. Наружное устройство для опреснения морской воды; б. Изменения солнечной энергии, скорости сбора пресной воды и общего количества собранной пресной воды с течением времени; в. Изменения температуры и влажности с течением времени; г. Среднесуточный световой поток и скорость сбора пресной воды). Источник изображения: Ссылка [1]
Что мы можем сделать для защиты пресной воды?
Открытие новых материалов заставляет нас больше не бояться, что в будущем не будет воды для питья. Однако мы также должны экономить воду и повышать осведомленность о защите ресурсов пресной воды.
Прежде всего, правительство последовательно обнародовало и усовершенствовало законы и постановления, связанные с защитой ресурсов пресной воды, ограничивая их посредством законов и напоминая всем о важности защиты пресной воды.Повысить гласность политики, связанной с охраной пресной воды, и повысить осведомленность каждого о сохранении воды. В то же время оптимизируйте использование пресной воды в сельском хозяйстве и промышленности и улучшите коэффициент использования пресной воды.
В жизни каждый из нас должен уделять внимание экономии воды и в то же времяБудьте осторожны, не выбрасывайте отходы, химикаты, лекарства и т. д. в канализацию, поскольку это может легко привести к загрязнению пресной воды.
Давайте работать вместе, чтобы защитить ресурсы пресной воды, использовать воду рационально и не допустить, чтобы последняя капля воды на земле стала нашими слезами!
Ссылки
[1] Ян Б., Чжан З., Лю П. и др. Flatbandλ-Ti3O5 для создания выдающейся солнечной команды. Природа (2023).
[2] Ли Сюэцинь. Новый солнечный коллектор и его применение для опреснения морской воды [J]. General Machinery, 2012. DOI: CNKI: SUN: TYJS.0.2012-03-037.
[3] Се Лисинь, Ли Пинли, Ван Шичан. Текущее состояние технологии опреснения морской воды и обзор различных методов опреснения [J]. Прогресс в химической промышленности, 2003, 22(10): 4. DOI: 10.3321/j.issn: 1000-6613.2003.10.011.
[4] Лу Чжу. Перспективы водосбережения и технологии регенерации и повторного использования водных ресурсов [J]. Технология очистки воды, 2002(S1):5.DOI:CNKI:SUN:ZSJS.0.2002-S1-013.