Sistem magnetik yang secara dinamis menyesuaikan sifat permukaan bahan yang digunakan untuk pemurnian air yang digerakkan oleh tenaga surya telah dibuat oleh para peneliti di China. Dikembangkan oleh Liangti Qu di Universitas Tsinghua Beijing dan rekan, sistem mencapai tingkat penguapan yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan permukaan statis.
Pasokan air bersih di banyak bagian dunia sangat terbatas dan proses pemurnian dan desalinasi dapat menghabiskan banyak energi. Akibatnya, mengembangkan cara menggunakan energi matahari untuk memurnikan air dengan penguapan telah menjadi subjek penelitian yang ekstensif, namun masih jauh dari digunakan secara luas. Meskipun pendekatan ini terutama menggunakan energi dari Matahari untuk memisahkan air dari kontaminan, pendekatan ini masih terlalu lambat untuk banyak aplikasi praktis.
Generasi uap surya antarmuka menawarkan cara untuk meningkatkan efisiensi penguapan dengan memusatkan energi sinar matahari hanya di permukaan air. Namun, dengan sistem statis ada sedikit kontrol pada aliran air dan penguapannya, dan lingkungan kimia yang keras dari air yang tidak diolah membuat sistem seperti itu rentan terhadap kerusakan yang cepat.
Sekarang, Qu dan rekan telah menciptakan sistem yang responsif secara magnetis dinamis dengan porositas terkontrol dan permukaan yang bergeser yang mencapai tingkat penguapan yang jauh lebih tinggi daripada rekan statis.
Paku transportasi
Sekilas, cairan runcing berkilauan pada gambar di atas tidak terlihat seperti sistem penjernihan air. Dibuat oleh tim, itu adalah bubur nanopartikel besi oksida terbungkus graphene yang dicampur dengan air untuk dimurnikan. Lapisan graphene khusus mencegah nanopartikel dari agregasi bersama, memungkinkan mereka untuk mengkonfigurasi ulang secara dinamis di bawah medan magnet eksternal, atau untuk membongkar hanya dengan mencuci bubur dengan aliran air. Yang terpenting, material mempercepat difusi air dari curah ke permukaan sistem dengan dua kali lipat dibandingkan dengan nanopartikel yang tidak dilapisi.
Pemurni air bertenaga surya terinspirasi oleh ikan buntal
Ketika bubur terkena medan magnet eksternal, susunan kerucut terbentuk, dengan karakteristik ferofluida. Kerucut dengan luas permukaan yang tinggi bergerak, berubah bentuk, dan berputar bersama dengan gerakan atau perubahan medan magnet yang diterapkan. Berkat permukaan runcing dan gradien konsentrasi yang diciptakannya, setiap presipitasi garam yang tertinggal saat air murni menguap hanya terjadi di ujungnya. Hal ini memungkinkan sinar matahari untuk masuk tanpa terhalang ke air dalam bubur, tidak seperti sistem datar di mana presipitasi garam menutupi permukaan seluruhnya. Tapi paku bukan satu-satunya struktur yang menarik. Pada skala yang lebih kecil, jaringan pori-pori dengan diameter antara ratusan nanometer dan puluhan milimeter memungkinkan pengangkutan air yang cepat serta pembongkaran struktur dengan cepat bila diperlukan.
Struktur berputar
Umumnya, struktur berpori diketahui memiliki kinerja yang lebih baik dalam hal transportasi air. Namun, sistem pemurnian lain yang menggunakan bahan berpori mengandalkan aliran pasif air dan uap cair. Akibatnya, difusi air yang lambat menyebabkan akumulasi uap air pada antarmuka, membatasi laju penguapan.
Masalah ini dapat diselesaikan dengan mengaduk udara di sekitar sistem, yang mengganggu uap air dan mempercepat proses penguapan. Dalam desain tim, agitasi ini dilakukan oleh ferrofluid saat susunan kerucut berputar sebagai respons terhadap medan magnet eksternal yang dinamis. Gerakan makroskopik ini juga disertai dengan konfigurasi ulang nanopartikel magnetik pada skala mikroskopis ke keadaan tidak teratur sambil mempertahankan bentuk kerucut pada tingkat makroskopik – seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas. Penataan ulang ini membantu sirkulasi garam, panas dan uap air dalam sistem, meningkatkan difusi uap. Akibatnya, sistem berputar menunjukkan peningkatan 23% dalam laju penguapan dibandingkan dengan sistem statis ketika kecepatan rotasi di atas 100 rpm.
Hirarki kerucut
Gerakan bukan satu-satunya cara untuk meningkatkan kinerja sistem magnetik. Tim juga menciptakan struktur 3D hierarkis yang lebih kompleks, yang memecahkan rekor tingkat penguapan statis dan melampaui batas teoritis untuk penguapan saat digunakan secara dinamis. Struktur proof-of-concept ini dibangun melalui desain sinergis dari gaya magnet antara magnet makroskopik dan nanopartikel magnetik.
Gambar di atas menunjukkan susunan kerucut yang terdistribusi dengan baik yang didukung pada tangkai yang memperluas ruang untuk proses difusi uap. Karena daerah dengan tingkat penguapan yang lebih tinggi kehilangan energi ke atmosfer lebih cepat, suhu permukaan digunakan untuk memantau tingkat penguapan. Pencitraan termal inframerah waktu nyata mengungkapkan distribusi suhu yang lebih dingin untuk struktur dinamis dibandingkan dengan struktur statis.
Sementara sistem masih dalam tahap awal penelitian, mereka menawarkan wawasan menarik tentang kemungkinan masa depan yang inovatif dalam pengelolaan dan pemurnian air.
Penelitian tersebut dijelaskan dalam Alam Komunikasi.
