Studie beschreibt ein neuartiges tragbares Solar-Dampf-Sammelsystem mit Polymer-Origami, das Wasser zu sehr geringen Kosten sammeln und reinigen kann
Die Nachfrage nach sauberen Wasser aufgrund von Bevölkerungswachstum, Industrialisierung und Verschmutzung und Erschöpfung der natürlichen Ressourcen unseres Planeten. Solar-Dämpfen ist eine Technik, bei der Solarenergie kann verwendet werden, um Wasser zu reinigen, indem verunreinigtes Wasser verdampft, erneut kondensiert und frisches sauberes Wasser erzeugt wird. Diese Technik ist eine saubere, erneuerbare und nachhaltige grüne Technologie, die das Potenzial hat, die weltweite Knappheit an sauberem Wasser durch Nutzung des Überflusses an Sonnenenergie zu bekämpfen. Die Stärke und Effizienz eines Solar-Dampf-Systems hängt von seinem Design und der Wahl der photothermischen Materialien ab. Gegenwärtige Solardampftechnologien verwenden teure, sperrige Materialien und haben einen geringen Wirkungsgrad und eine begrenzte Leistung. Es ist eine Herausforderung geblieben, die Leistung zu verbessern und die Kosten zu senken, um ein leichtes und tragbares Solardampfsystem zu entwickeln, das von Einzelpersonen direkt verwendet werden kann.
In einer neuen Studie veröffentlicht am 28. Mai in Fortgeschrittene Werkstoffe Forscher beschreiben eine neuartige Methode für das Solar-Dampfen, indem sie ein kostengünstiges tragbares Niederdruck-gesteuertes Solar-Dampf-Sammelsystem entwerfen, das Wasser unter Verwendung von Energie aus Sonnenlicht sammeln und reinigen kann. Sie wählten ein photothermisches Polymermaterial namens Polypyrrol (PPy), das von Natur aus leitfähig ist, für seine photothermischen Eigenschaften bekannt ist und eine hohe Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Wärme zeigt. Inspiriert von der Blumenrose besteht das einzigartige Design dieses Solar-Dampfsystems aus 3D-Origami-PPy-Papier-Verbundwerkstoffen. Eine 'PPy Rose', die aus geschichteten schwarzen Blättern in Form von Blütenblättern besteht, wurde durch Origami-Faltung und chemische Polymerisation von PPy hergestellt. Diese Origami-Struktur ist an einem stielartigen, baumwollgetränkten Schlauch befestigt, der rohes/unbehandeltes Wasser aus einer Wasserquelle sammelt und es der oben platzierten PPy-Rosenstruktur zuführt. Mit Baumwolle infundierter Schlauch und Polystyrolschaum wurden verwendet, um den direkten Kontakt zwischen Ppy-Material und Schüttwasser zu verhindern.
Sobald das unbehandelte Wasser die Blütenblätter erreicht hat, verwandelt das PPy-Material in der Blütenstruktur Wasser in Dampf und Verunreinigungen trennen sich auf natürliche Weise vom Wasser. Anschließend muss der Wasserdampf kondensiert und anschließend sauberes Wasser zur Verwendung gesammelt werden. Die Forscher verwendeten einen Niederdruckzustand, indem sie eine tragbare Vakuumpumpe verwendeten. Es wurde festgestellt, dass dies die Raten sowohl der Wasserverdampfung als auch der Wassersammlung signifikant erhöht. Sobald das Wasser kondensiert ist, speichert das kompakte und robuste Auffangglas sauberes Wasser sicher.
Die 3D-Origamis boten im Vergleich zu einem herkömmlichen 2D-Planardesign eine deutlich höhere Lichtabsorption und verbesserte Oberflächen für die Wasserverdunstung. Die Wasserverdampfungs- und -sammelrate wird durch die Senkung des Kammerdrucks um 52 Prozent verbessert. PPy-Origami verbesserte die Wasserverdunstung um 71 Prozent und es wurden auch höhere Dampfsammelraten beobachtet. Der Gesamtwirkungsgrad des Systems stieg unter einer Lichtquelle um 91.5 Prozent. Das System wurde an einer Probe aus dem Colorado River in Texas, USA, getestet. Das System entfernt Verunreinigungen des Wassers in Form von Schwermetallen, Bakterien, Salz und mildert die Alkalinität, wodurch sauberes Wasser mit den von der WHO festgelegten Trinkstandards erzeugt wird.
Die aktuelle Studie beschreibt ein neuartiges rationales Design eines tragbaren, kostengünstigen Solar-Dampf-Sammelsystems mit photothermischen 3D-Origami-Materialien, das verbesserte Wasserverdampfungs- und Dampfsammelraten bietet. Die Kosten für jede blumenähnliche Struktur betragen weniger als 2 Cent und sie kann erfolgreich 2 Liter sauberes Wasser pro Stunde und Quadratmeter produzieren. Dieses Design kann eine Inspiration für die Herstellung einzigartiger Modelle des solaren Dampfens für die Produktion von sauberem Wasser sein.
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Quelle (n)
Li, W. et al. 2019. Tragbares Niederdruck-Solar-Steaming-Collection-Unisystem mit Polypyrrol-Origamis. Fortgeschrittene Werkstoffe. http://doi.org/10.1002/adma.201900720
