Et magnetisk system, der dynamisk justerer overfladeegenskaberne af et materiale, der bruges til soldrevet vandrensning, er blevet skabt af forskere i Kina. Udviklet af Liangti Qu ved Beijings Tsinghua University og kolleger opnåede systemet højere fordampningshastigheder sammenlignet med statiske overflader.
Der er mangel på rent vand i mange dele af verden, og rensnings- og afsaltningsprocesser kan være energikrævende. Som følge heraf har udvikling af måder at bruge solenergi til at rense vand ved fordampning været genstand for omfattende forskning, men alligevel er den langt fra i udbredt brug. Selvom denne tilgang primært udnytter energien fra Solen til at adskille vand fra forurenende stoffer, er den stadig for langsom til mange praktiske anvendelser.
Grænsefladegenerering af soldampe tilbyder en måde at øge effektiviteten af fordampning ved kun at koncentrere energien fra solens stråler på vandoverfladen. Alligevel er der med statiske systemer ringe kontrol over vandstrømmen og dets fordampning, og det barske kemiske miljø i ubehandlet vand efterlader sådanne systemer tilbøjelige til hurtig forringelse.
Nu har Qu og kolleger skabt et dynamisk magnetisk responsivt system med kontrolleret porøsitet og en skiftende overflade, der opnår meget højere fordampningshastigheder end statiske modparter.
Transport pigge
Ved første øjekast ligner den glitrende spidse væske i ovenstående figur ikke et vandrensningssystem. Skabt af holdet, det er en opslæmning af grafen-indpakkede jernoxidnanopartikler, der blandes med vandet, der skal renses. Den specielle grafenbelægning forhindrer nanopartiklerne i at aggregere sammen, hvilket giver dem mulighed for dynamisk at omkonfigurere sig under et eksternt magnetfelt eller skilles ad blot ved at vaske gyllen med en vandstrøm. Det er afgørende, at materialet accelererer diffusionen af vand fra hovedmassen til overfladen af systemet med to størrelsesordener sammenlignet med de ubelagte nanopartikler.
Solcelledrevet vandrenser er inspireret af pufferfish
Når gyllen udsættes for et eksternt magnetfelt, dannes keglerarrays på en måde, der er karakteristisk for ferrofluider. Keglerne med højt overfladeareal bevæger sig, deformeres og spinder sammen med bevægelsen eller ændringen af det påførte magnetfelt. Takket være den spidse overflade og den koncentrationsgradient, den skaber, sker enhver saltudfældning, der efterlades, når det rene vand fordamper, kun ved spidserne. Dette tillader sollyset at trænge ublokeret igennem til vandet i gyllen, i modsætning til flade systemer, hvor saltudfældning dækker overfladen fuldstændigt. Men spidserne er ikke de eneste strukturer af interesse. I mindre skala tillader et netværk af porer med diametre mellem hundredvis af nanometer og titusvis af millimeter hurtig transport af vand samt hurtig adskillelse af strukturen, når det er nødvendigt.
Spindende strukturer
Generelt er porøse strukturer kendt for at have forbedret ydeevne, når det kommer til vandtransport. Men andre rensningssystemer, der bruger porøse materialer, er afhængige af den passive strøm af flydende vand og damp. Som et resultat forårsager langsom vanddiffusion akkumulering af vanddamp ved grænseflader, hvilket begrænser fordampningshastigheden.
Dette problem kan løses ved at omrøre luften omkring systemet, hvilket forstyrrer vanddampen og fremskynder fordampningsprocessen. I teamets design udføres denne omrøring af ferrofluiden, når de koniske arrays roterer som reaktion på et dynamisk eksternt magnetfelt. Denne makroskopiske bevægelse er også ledsaget af rekonfigurationen af de magnetiske nanopartikler på mikroskopisk skala til en uordnet tilstand, mens den koniske form bibeholdes på et makroskopisk niveau - som vist i figuren ovenfor. Denne omarrangering hjælper salt-, varme- og vanddampcirkulationen i systemet og forbedrer diffusionen af damp. Som et resultat viser de roterende systemer en stigning på 23 % i fordampningshastigheden sammenlignet med de statiske systemer, når omdrejningshastigheden er over 100 rpm.
Hierarki af kegler
Bevægelse er ikke den eneste måde at øge ydeevnen af de magnetiske systemer. Holdet skabte også mere komplekse hierarkiske 3D-strukturer, der bryder rekorden for den statiske fordampningshastighed og overskred den teoretiske grænse for fordampning, når de bruges dynamisk. Disse proof-of-concept strukturer blev konstrueret gennem det synergetiske design af de magnetiske kræfter mellem makroskopiske magneter og de magnetiske nanopartikler.
Billedet ovenfor viser de godt fordelte koniske arrays understøttet på stilke, der udvider rummet til dampdiffusionsprocessen. Da områder med højere fordampningshastigheder mister energi til atmosfæren hurtigere, blev overfladetemperaturen brugt til at overvåge fordampningshastigheden. Real-time infrarød termisk billeddannelse afslørede køligere temperaturfordelinger for de dynamiske strukturer sammenlignet med statiske strukturer.
Mens systemerne stadig er i deres indledende forskningsfase, giver de spændende indsigt i de innovative fremtidige muligheder inden for vandforvaltning og -rensning.
Forskningen er beskrevet i Nature Communications.
