3D-tištěná mikrostruktura usnadňuje odsolování mořské vody

Vlivem globálního oteplování hrozí některým částem světa nedostatek sladké vody. Tým výzkumníků ze Singapuru se zaměřil na solární parní generátory (SSG, Solar Steam Generators), které se objevily jako slibné zařízení pro odsolování mořské vody. Odsolování je obecně nákladné a energeticky náročné. Nový přístup využívající obnovitelné zdroje napodobuje přirozený koloběh vody tím, že využívá k odpařování vody sluneční energii. Technologie však vyžaduje dostatečně veliké plochy nezbytné pro dosažení vysoké účinnosti odpařování. Vědci našli inspiraci pro řešení u stromů a využili potenciál 3D tisku. Nejmodernější technologii pro výrobu účinných SSG pro odsolování představil vědecký tým v časopise Applied Physics Reviews.

„Vytvořili jsme SSG s výjimečným fototermickým výkonem a samočisticími vlastnostmi,“ řekl Kun Zhou, profesor strojního inženýrství na Technologické univerzitě Nanyang. „Použití stromové porézní struktury výrazně zvyšuje rychlost odpařování vody a zajišťuje nepřetržitý provoz tím, že zabraňuje hromadění soli – výkon zařízení zůstává relativně stabilní i po delším testování.“

Fyzika

SSG absorbují sluneční energii, vzniklým teplem se odpařuje mořská voda. Porézní struktura SSG pomáhá zlepšit samočištění odstraňováním nahromaděné soli, čímž je zajištěna trvalá výkonnost odsolování. Použitím účinného fototermálního fixačního činidla může 3D tisková technologie multi-jet fusion (MJF) rychle vytvářet díly se složitým designem. Pro zlepšení účinnosti fototermální konverze tištěných dílů vyvinuli vědci nový typ fixačního činidla – v podstatě „inkoustu“ pro 3D tisk – v podobě nanovláken z kompozitu uhlík a oxid železa Fe₃O₄.

Stromy jako předloha

Struktura SSG byla inspirována transpirací rostlin. Miniaturní „stromové“ mikrostruktury tvoří účinný „les“ rozvádějící teplo. „Náš bioinspirovaný design zvětšuje povrchovou plochu SSG,“ řekl Zhou. „Použití stromového designu zvětšuje plochu SSG, což zlepšuje transport vody a zvyšuje účinnost odpařování.“

Velkým překvapením byla vysoká rychlost odpařování vody pozorovaná v simulovaných prostředích i při reálných pokusech. Činila 1,55 kg m⁻² h⁻¹. Odsolená voda trvale splňovala normy pro pitnou vodu i po dlouhodobém testu. „To dokazuje praktičnost a efektivitu našeho přístupu,“ řekl Zhou. „Navržený SSG může být rychle a snadno sériově vyráběn na komerčních tiskárnách MJF. Naše SSG lze použít v regionech s omezeným přístupem ke sladké vodě, a může být přizpůsoben i pro další aplikace, které vyžadují účinnou konverzi solární energie a čištění vody.“

Článek „3D tisk bioinspirovaných porézních polymerních solárních parních generátorů pro účinné a udržitelné odsolování“ autorů Yanbei Hou, Ming Gao, Xueyu Bai, Lihua Zhao, Hejun Du a Kun Zhou je přístupný na https://doi.org/10.1063/5.0200505.

O časopisu

Applied Physics Reviews obsahuje články o významných a aktuálních tématech v experimentálním nebo teoretickém výzkumu v aplikované fyzice nebo v aplikacích fyziky v jiných odvětvích vědy a techniky. Časopis publikuje jak původní výzkumy průkopnických studií širokého zájmu komunity aplikované fyziky, tak recenze zavedených nebo nově vznikajících oblastí aplikované fyziky.

Zdroj: 3D printing of bio-inspired porous polymeric solar steam generators for efficient and sustainable desalination | Applied Physics Reviews | AIP Publishing