A napenergiával hajtott víztisztításhoz használt anyag felületi tulajdonságait dinamikusan beállító mágneses rendszert hoztak létre kínai kutatók. Által kifejlesztett Liangti Qu a pekingi Tsinghua Egyetemen és munkatársaiban a rendszer magasabb párolgási sebességet ért el, mint a statikus felületeken.
A világ számos részén hiányzik a tiszta víz, és a tisztítási és sótalanítási folyamatok energiaigényesek lehetnek. Ennek eredményeként a napenergia felhasználási módjainak kidolgozása a víz párolgásos tisztítására kiterjedt kutatás tárgyát képezi, de még messze nem terjedt el széles körben. Bár ez a megközelítés elsősorban a Nap energiáját használja fel a víz és a szennyeződések elválasztására, sok gyakorlati alkalmazáshoz még mindig túl lassú.
A határfelületi nappáraképzés lehetőséget kínál a párolgás hatékonyságának növelésére azáltal, hogy a Nap sugarainak energiáját csak a víz felszínére koncentrálják. Ennek ellenére a statikus rendszereknél a víz áramlása és elpárologtatása kevéssé szabályozható, és a kezeletlen víz durva kémiai környezete miatt az ilyen rendszerek gyorsan romlanak.
Most Qu és munkatársai létrehoztak egy dinamikus, mágnesesen reagáló rendszert, szabályozott porozitással és eltolható felülettel, amely sokkal nagyobb párolgási sebességet ér el, mint a statikus társai.
Szállítási tüskék
A fenti ábrán látható csillogó tüskés folyadék első pillantásra nem úgy tűnik, mint egy víztisztító rendszer. A csapat készítette, ez egy grafénbe csomagolt vas-oxid nanorészecskék szuszpenziója, amelyet a tisztítandó vízzel kevernek össze. A speciális grafénbevonat megakadályozza, hogy a nanorészecskék aggregálódjanak, így külső mágneses tér hatására dinamikusan újrakonfigurálódnak, vagy egyszerűen szétszedhetők a zagy vízsugárral történő mosásával. Lényeges, hogy az anyag két nagyságrenddel felgyorsítja a víz diffúzióját a tömbből a rendszer felszínére a bevonatlan nanorészecskékhez képest.
A napenergiával működő víztisztítót a gömbhal ihlette
Amikor a zagyot külső mágneses térnek teszik ki, a ferrofluidokra jellemző módon kúpsorok képződnek. A nagy felületű kúpok az alkalmazott mágneses tér mozgásával vagy változásával együtt mozognak, deformálódnak és forognak. A tüskés felületnek és az általa létrehozott koncentráció gradiensnek köszönhetően a tiszta víz elpárolgása után visszamaradt sócsapadék csak a csúcsoknál jelentkezik. Ez lehetővé teszi, hogy a napfény akadálytalanul átjusson a zagyban lévő vízbe, ellentétben a lapos rendszerekkel, ahol a sócsapadék teljes egészében befedi a felületet. De nem a tüskék az egyetlen érdekes struktúrák. Kisebb léptékben a több száz nanométer és több tíz milliméter közötti átmérőjű pórushálózat lehetővé teszi a víz gyors szállítását, valamint a szerkezet gyors szétszerelését, ha szükséges.
Pörgő szerkezetek
Általánosságban elmondható, hogy a porózus szerkezetek jobb teljesítményt nyújtanak a vízi szállítás során. Más, porózus anyagokat használó tisztítórendszerek azonban a folyékony víz és gőz passzív áramlásán alapulnak. Ennek eredményeként a víz lassú diffúziója a vízgőz felhalmozódását okozza a határfelületeken, ami korlátozza a párolgási sebességet.
Ez a probléma a rendszer körüli levegő felkavarásával oldható meg, ami megzavarja a vízgőzt és felgyorsítja a párolgási folyamatot. A csapat tervezésében ezt a keverést a ferrofluid végzi, mivel a kúpos tömbök dinamikus külső mágneses tér hatására forognak. Ez a makroszkopikus mozgás a mágneses nanorészecskék mikroszkopikus skálán történő rendezetlen állapotba való átkonfigurálásával is együtt jár, miközben a kúpos alakot makroszkopikus szinten megtartja – a fenti ábrán látható módon. Ez az átrendeződés elősegíti a só, a hő és a vízgőz keringését a rendszerben, fokozva a gőz diffúzióját. Ennek eredményeként a forgó rendszerek 23%-os párolgási sebességnövekedést mutatnak a statikus rendszerekhez képest, ha a fordulatszám 100 ford./perc felett van.
Kúpok hierarchiája
A mozgás nem az egyetlen módja a mágneses rendszerek teljesítményének növelésének. A csapat bonyolultabb, hierarchikus 3D-s struktúrákat is készített, amelyek megdöntik a statikus párolgási sebesség rekordját, és dinamikus használat esetén meghaladták a párolgás elméleti határát. Ezeket az elméleti struktúrákat a makroszkopikus mágnesek és a mágneses nanorészecskék közötti mágneses erők szinergetikus tervezésével hozták létre.
A fenti képen jól elosztott kúpos tömbök láthatók, amelyek száron vannak megtámasztva, amelyek kiterjesztik a gőzdiffúziós folyamat terét. Mivel a nagyobb párolgási sebességű területek gyorsabban veszítenek energiát a légkörbe, a párolgási sebesség mérésére felületi hőmérsékletet használtunk. A valós idejű infravörös hőképalkotás hidegebb hőmérséklet-eloszlást mutatott ki a dinamikus struktúrákban, mint a statikus struktúrákban.
Míg a rendszerek még a kutatás előzetes fázisában tartanak, izgalmas betekintést nyújtanak a vízgazdálkodás és -tisztítás jövőbeli innovatív lehetőségeibe.
A kutatás leírása a Nature Communications.
