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

به گزارش ایسنا، کمبود آب شیرین، میلیاردها نفر را در سراسر جهان تحت تأثیر قرار داده است. در حالی که اقیانوس‌های زمین منابع عظیمی از آب را در خود جای داده‌اند، فرآیند تبدیل آب دریا به آب شیرین مستلزم صرف انرژی بالا و زیرساخت‌های پیچیده است.

تصفیه‌خانه‌های مدرن آب‌شیرین‌کن از روش‌هایی مانند اسمز معکوس استفاده می‌کنند که نیازمند فشار بالا و غشاهای تخصصی است. هزینه‌های بالای ساخت و بهره‌برداری از این تأسیسات، استفاده از آن‌ها را در بسیاری از مناطقی که بیشترین نیاز به آب شیرین دارند، محدود کرده است.

دانشمندان برای غلبه بر این چالش، به دنبال روش‌های ساده‌تری مانند استفاده از انرژی خورشیدی برای تبخیر آب دریا بوده‌اند، مشابه آنچه در چرخه طبیعی آب اتفاق می‌افتد. این سیستم‌ها با تمرکز نور خورشید برای گرم کردن آب دریا، بخار آب تولید کرده و آن را به‌عنوان آب شیرین جمع‌آوری می‌کنند. با این حال، چنین روش‌هایی تنها در روزهای آفتابی کارایی دارند. از سوی دیگر، روش‌های گرمایشی الکتریکی اغلب انرژی را هدر می‌دهند، زیرا به‌طور ناخواسته مولکول‌های آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کنند.

طبیعت راهکاری ظریف برای جذب مؤثر انرژی خورشید ارائه کرده است. پرهای پرندگان بهشتی دارای ساختارهای میکروسکوپی ویژه‌ای هستند که نور را به دام انداخته و باعث می‌شوند پرها تقریباً تمام نور ورودی را جذب کنند.

از سوی دیگر، کتری‌های برقی معمولی از طراحی هوشمندانه‌ای بهره می‌برند که در آن عنصر گرمایشی با یک لایه عایق پوشانده شده است، به‌طوری که از عبور جریان الکتریکی از آب جلوگیری می‌کند اما همچنان گرما را به طور مؤثر انتقال می‌دهد.

با الهام از این دو پدیده طبیعی، پژوهشگران دانشگاه دونگ‌هوا یک پارچه تصفیه‌کننده آب مبتنی بر فناوری نانو طراحی کرده‌اند. این پارچه از الیاف کربنی تشکیل شده که رسانای الکتریسیته هستند. 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، مانند جنگلی میکروسکوپی، جذب نور را افزایش می‌دهند. 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 باعث به دام افتادن و جذب حداکثری نور، مشابه 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، بنابراین 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 مشابه با طبیعت را به کار می‌گیرد.

آزمایش‌ها نشان دادند که این سیستم عملکرد چشمگیری دارد. تنها با استفاده از نور خورشید، سرعت تبخیر آب به ۲.۲ کیلوگرم در هر مترمربع در ساعت رسید. در حالت استفاده از برق، این مقدار به ۷.۹ کیلوگرم در هر مترمربع در ساعت افزایش یافت. هنگامی که هر دو منبع انرژی به‌طور همزمان استفاده شدند، نرخ تبخیر به ۹.۱ کیلوگرم در مترمربع در ساعت رسید که به‌طور قابل توجهی بهتر از طراحی‌های پیشین 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 باعث حرکت مداوم آب شور در سراسر سطح گرم شده می‌شود و از تشکیل کریستال‌های نمک و گرفتگی سیستم جلوگیری می‌کند. این ویژگی امکان استفاده طولانی‌مدت بدون نیاز به تمیزکاری یا تعویض را فراهم می‌آورد.

این ماده در آزمایش‌های ۱۰ ساعته با استفاده از آب دریا که حاوی مواد معدنی مختلف بود، عملکرد 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 نشان می‌دهد که امکان تولید در مقیاس بالا نیز وجود دارد.

این فناوری مزایای متعددی نسبت به روش‌های موجود دارد. برخلاف تصفیه‌خانه‌های سنتی، نیازی به پمپ‌های فشار قوی یا سیستم‌های غشایی پیچیده ندارد. قابلیت استفاده از هر دو منبع انرژی خورشیدی و الکتریکی، امکان عملکرد شبانه‌روزی و در هر شرایط آب‌وهوایی را فراهم می‌کند. انعطاف‌پذیری پارچه امکان طراحی در اشکال مختلف را می‌دهد و سادگی ساخت آن می‌تواند هزینه‌ها را کاهش دهد.