الهام از«پرهای پرندگان بهشتی» و «کتری‌های برقی» برای تصفیه آسان و سریع آب دریا_بام وطن

افتآب شیرین، میلیاردها نفر را در سراسر جهان تحت تأثیر قرار داده است. در حالی که اقیانوس‌های زمین منبع های عظیمی از آب را در خود جای داده‌اند، فرآیند تبدیل آب دریا به آب شیرین الزام صرف انرژی بالا و زیرساخت‌های پیچیده است.

تصفیه‌خانه‌های مدرن آب‌شیرین‌کن از راه حلهایی همانند اسمز معکوس منفعت گیری می‌کنند که نیازمند سختی بالا و غشاهای تخصصی است. هزینه‌های بالای ساخت و منفعت‌برداری از این تأسیسات، منفعت گیری از آن‌ها را در تعداد بسیاری از مناطقی که بیشترین نیاز به آب شیرین دارند، محدود کرده است.

دانشمندان برای تسلط بر این چالش، به جستوجو راه حلهای ساده‌تری همانند منفعت گیری از انرژی خورشیدی برای تبخیر آب دریا بوده‌اند، شبیه آنچه در چرخه طبیعی آب اتفاق می‌افتد. این سیستم‌ها با تمرکز نور خورشید برای گرم کردن آب دریا، بخار آب تشکیل کرده و آن را به‌گفتن آب شیرین جمع‌آوری می‌کنند. با این حال، این چنین راه حلهایی تنها در روزهای آفتابی کارایی دارند. از نظر دیگر، راه حلهای گرمایشی الکتریکی زیاد تر انرژی را هدر خواهند داد، چون به‌طور ناخواسته مولکول‌های آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کنند.

طبیعت راهکاری ظریف برای جذب مؤثر انرژی خورشید اراعه کرده است. پرهای پرندگان بهشتی دارای ساختارهای میکروسکوپی اختصاصی‌ای می باشند که نور را به دام انداخته و علتخواهد شد پرها تقریباً همه نور ورودی را جذب کنند. از نظر دیگر، کتری‌های برقی معمولی از طراحی هوشمندانه‌ای منفعت می‌برند که در آن عنصر گرمایشی با یک لایه عایق پوشانده شده است، به‌طوری که از عبور جریان الکتریکی از آب جلوگیری می‌کند اما هم چنان گرما را به طور مؤثر انتقال می‌دهد.

با الهام از این دو اتفاق طبیعی، پژوهشگران دانشگاه دونگ‌هوا یک پارچه تصفیه‌کننده آب مبتنی بر فناوری نانو طراحی کرده‌اند. این پارچه از الیاف کربنی راه اندازی شده که رسانای الکتریسیته می باشند. بر روی این الیاف، نانومیله‌های دی‌اکسید تیتانیوم (TiO۲) با قطر ۳۰۰ تا ۵۰۰ نانومتر و طول ۱.۵ تا ۲ میکرومتر رشد داده شده‌اند. این ساختارها، همانند جنگلی میکروسکوپی، جذب نور را افزایش خواهند داد. در ادامه، این نانومیله‌ها با نانوذرات پلی‌پیرول (PPy) به اندازه ۱۰۰ نانومتر پوشانده شدند تا کارایی جذب نور و تبدیل آن به گرما را بهبود بخشند.

این پارچه به دو روش عمل می‌کند: ساختار نانومیله‌ای علتبه دام افتادن و جذب حداکثری نور، شبیه پرهای پرندگان بهشتی می‌شود. هنگامی که با برق تغذیه می‌شود، هسته کربنی گرم شده و لایه نانومقیاس TiO2/PPy از تماس مستقیم الکتریسیته با آب جلوگیری می‌کند، به این علت از هدررفت انرژی ناشی از تجزیه آب ممانعت به عمل می‌آید. این ماده ۹۵.۵٪ از نور ورودی را جذب می‌کند و راهبرد جذب نور نانومقیاسی شبیه با طبیعت را به کار می‌گیرد.

آزمایش‌ها نشان دادند که این سیستم کارکرد چشمگیری دارد. تنها با منفعت گیری از نور خورشید، شدت تبخیر آب به ۲.۲ کیلوگرم در هر مترمربع در ساعت رسید. در حالت منفعت گیری از برق، این مقدار به ۷.۹ کیلوگرم در هر مترمربع در ساعت افزایش یافت. هنگامی که هر دو منبع انرژی به‌طور همزمان منفعت گیری شدند، نرخ تبخیر به ۹.۱ کیلوگرم در مترمربع در ساعت رسید که به‌طور قابل توجهی بهتر از طراحی‌های قبل است.

به نقل از ستاد نانو، یکی دیگر از چالش‌های مهم در فرآیندهای شیرین‌سازی آب، تجمع نمک است. پژوهشگران این مشکل را با طراحی سیستمی که در آن آب به‌طور مداوم در سطح پارچه جریان دارد، حل کرده‌اند. ساختار نانومقیاسی سطح علتحرکت مداوم آب شور در سراسر سطح گرم شده می‌شود و از راه اندازی کریستال‌های نمک و گرفتگی سیستم جلوگیری می‌کند. این ویژگی امکان منفعت گیری طویل‌زمان بدون نیاز به تمیزکاری یا معاوضه را فراهم می‌آورد.

این ماده در آزمایش‌های ۱۰ ساعته با منفعت گیری از آب دریا که حاوی مواد معدنی گوناگون می بود، کارکرد پایداری را نشان داد. دوام بالا در شرایط واقعی، این فناوری را به یک راهکار عملی برای تصفیه آب تبدیل کرده است. انعطاف‌پذیری پارچه و ساختار نسبتاً ساده آن مشخص می کند که امکان تشکیل در مقیاس بالا نیز وجود دارد.

این فناوری مزایای بسیاری نسبت به راه حلهای حاضر دارد. برخلاف تصفیه‌خانه‌های سنتی، نیازی به پمپ‌های سختی قوی یا سیستم‌های غشایی پیچیده ندارد. قابلیت منفعت گیری از هر دو منبع انرژی خورشیدی و الکتریکی، امکان کارکرد شبانه‌روزی و در هر شرایط آب‌وهوایی را فراهم می‌کند. انعطاف‌پذیری پارچه امکان طراحی در اشکال گوناگون را می‌دهد و سادگی ساخت آن می‌تواند هزینه‌ها را افت دهد.