دستاورد دانشمندان چینی: نمک‌زدایی از آب دریا با هزینه‌ای کمتر از تولید آب معدنی

دانشمندان آکادمی علوم چین و دانشگاه شنزن، از نمونه اولیه یک دستگاه نمک‌زدایی خورشیدی رونمایی کرده‌اند که بدون نیاز به برق شهری کار می‌کند. راز این دستگاه، ابداع یک ساختار فتوترمال سه‌بعدی جدید (تبدیل‌کننده نور به گرما) برای افزایش چشمگیر فرایند تبخیر خورشیدی است. محققان برآورد می‌کنند که تنها پس از دو سال کارکرد دستگاه، هزینه تولید آب شیرین آن حتی از خرید آب معدنی‌های تجاری نیز ارزان‌تر خواهد شد.

ابداع ساختار سه‌بعدی «نانوجنگل» برای حل چالش بزرگ نمک‌زدایی آب

روش‌های متداول نمک‌زدایی معمولاً انرژی زیادی مصرف می‌کنند. برای مثال، در فناوری Reverse Osmosis که روش اصلی شیرین‌سازی آب در دنیا محسوب می‌شود، پمپ‌های غول‌پیکر با مصرف حجم عظیمی از برق شبکه، آب دریا را با فشار از غشاهای میکروسکوپی عبور می‌دهند. تبخیر خورشیدی یک جایگزین کاملاً پاک و بدون نیاز به برق است، اما این روش همیشه با یک مشکل بزرگ به نام «کلوخه‌شدن» مواجه بوده است. بهترین مواد برای جذب گرما، ذرات پودری فوق‌العاده ریزی به نام نانوذرات هستند؛ اما وقتی این پودر داخل آب قرار می‌گیرد، ذرات آن مانند آرد خیس‌خورده به هم می‌چسبند و مسیر خروج بخار آب را مسدود می‌کنند.

دانشمندان چینی برای حل این مشکل، از زنجیره‌های بادوام نوعی پلیمر به نام پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) استفاده کرده‌اند تا نانوکره‌های توخالی و چندپوسته (HoMS) را در جای خود محکم نگه دارند.

محققان سپس با کمک «تئوری پارامتر حلالیت هانسن» که به پیش‌بینی چسبندگی مواد کمک می‌کند، زنجیره‌های پلیمری را به این نانوکره‌ها متصل و پیوند بسیار محکمی میان آنها ایجاد کردند. در این فرایند، رشته‌های پلیمری به‌دقت از میان منافذ میکروسکوپی نانوکره‌ها عبور داده شده و پس از سرد شدن، کاملاً در هم قفل می‌شوند. نتیجه این نوآوری، خلق یک ساختار سه‌بعدی پایدار بوده که از آن به‌عنوان یک «نانوجنگل» یاده شده است؛ ساختاری منظم که نور خورشید را به دام می‌اندازد، فرم خود را در آب از دست نمی‌دهد و به مولکول‌های آب اجازه می‌دهد به‌راحتی جابه‌جا و تبخیر شوند.

این ماده جدید به لطف اتصال فوق‌العاده محکم زنجیره‌های پلیمری به نانوکره‌ها، به نرخ تبخیر خیره‌کننده ۳۸.۱۴ کیلوگرم آب بر مترمربع در هر ساعت دست یافته است. این عملکرد شگفت‌انگیز، ۸.۵ برابر بیشتر و بهتر از سیستم‌های غشایی دوبعدی و سنتی گذشته است.

پروفسور «وانگ دان»، نویسنده مسئول این پژوهش، توضیح داده که قابلیت بی‌نظیر این ماده در تبدیل نور به گرما و توانایی بالای آن در انتقال روان آب، عامل اصلی این جهش بزرگ در تبخیر است. آزمایش‌ها نشان داده که این ساختار سه‌بعدی ۹۰.۲ درصد از نور خورشید را به دام می‌اندازد و پرتوهای نور پس از ورود، مدام درون این شبکه سه‌بعدی بازتاب یافته و پراکنده می‌شوند تا بیشترین گرما را تولید کنند. علاوه‌بر‌این، به دلیل پدیده علمی «محدودیت نانویی»، انرژی فیزیکی مورد نیاز برای تبدیل آب از حالت مایع به گاز کاهش یافته و در نتیجه، انرژی کل مورد نیاز برای فرآیند تبخیر ۴۵.۷ درصد کمتر شده است.

تیم تحقیقاتی برای سنجش کارایی واقعی، این ماده را در دستگاهی به مساحت ۰.۷۵ متر مربع پیاده‌سازی کرد. در این سیستم تنها یک بخش مکانیکی وجود داشت: یک پنل خورشیدی کوچک که انرژی یک فن را برای هدایت بخار به داخل جعبه تقطیر تأمین می‌کرد. این دستگاه ساده تنها با اتکا به نور طبیعی آفتاب، موفق شد روزانه بیش از ۲۰ لیتر آب آشامیدنی کاملاً پاک تولید کند که برای تأمین نیاز روزانه ۱۰ نفر کافی است. کیفیت آب تولیدی نیز به‌راحتی تمام استانداردهای سخت‌گیرانه سازمان جهانی بهداشت (WHO) را کسب کرد.

برای بررسی کاربرد عملی در زندگی واقعی، این آب شیرین‌شده به یک زمین کشاورزی آزمایشی هدایت شد و دانشمندان توانستند در یک دوره رشد کامل، محصولات سالمی مثل اسفناج، ذرت و کلم چینی را با آن پرورش دهند.

دستاوردهای این پژوهش ارزشمند در مجله معتبر علمی Advanced Materials منتشر شده است.