أخبار ar.wedoany.com، اقترح فريق بحثي مشترك من معهد هندسة العمليات التابع للأكاديمية الصينية للعلوم وجامعة شنتشن آلية "قفل" بوليمرية، تعمل على نسج الجسيمات النانوية في مادة ضوئية حرارية ثلاثية الأبعاد للتبخر، مما يحقق زيادة كبيرة في معدل تبخر مياه البحر بالطاقة الشمسية. ومن خلال جهاز تجريبي خارجي، تم تحقيق استكشاف أولي يبدأ من تحلية مياه البحر وصولاً إلى الري الزراعي. وقد نُشرت نتائج البحث ذات الصلة في المجلة الأكاديمية الدولية "Advanced Materials".
أصبحت ندرة المياه تحديًا عالميًا، حيث يعاني حوالي ربع سكان العالم من نقص المياه العذبة. يُعتبر التبخر السطحي بالطاقة الشمسية وسيلة واعدة للحصول على المياه النظيفة، إلا أن العقبة الأساسية تكمن في أنه عند تحويل المساحيق الضوئية الحرارية النانوية عالية الأداء إلى أجهزة ماكروسكوبية، تتعرض الجسيمات للتكتل، وتكون قوة البنية ثلاثية الأبعاد ضعيفة، ويتسبب الضوء في تحلل الهيكل العضوي تدريجيًا، مما يؤدي إلى تقادم المادة وفقدان فعاليتها. إن كيفية تحقيق تجمع مستقر للجسيمات النانوية مع الحفاظ على أداء طويل الأمد، هي مشكلة رئيسية تتطلب حلاً عاجلاً.
استلهم الفريق المشترك فكرته من آلية "القفل". فقاموا أولاً بتحضير أغلفة كروية نانوية متعددة الطبقات ذات بنية مجوفة، واستخدموها كنقاط اتصال. وبناءً على مبدأ التوافق بين البوليمر والمذيب، تمكنت سلاسل جزيئات البوليستر من اختراق المسامات الدقيقة للأغلفة الكروية بدقة، مثل خيط الخياطة، لتربط الجسيمات معًا بإحكام، مكونة شبكة ثلاثية الأبعاد صلبة تشبه "غابة نانوية". هذا الهيكل يمنع تكتل الجسيمات، ويبني في الوقت نفسه قنوات فعالة لنقل المياه.
تُظهر البيانات التجريبية أن هذا الهيكل يحقق، من خلال التشتت والامتصاص المتعددين، نسبة امتصاص لأشعة الشمس تبلغ 90.2%؛ كما أن الحيز النانوي المحصور يُحدث تغييرًا في شبكة الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء، مما يقلل الطاقة اللازمة لتبخير نفس الكمية من الماء بنسبة 45.7%. وقد حقق جسم تبخير واحد في الاختبارات معدل تبخر يبلغ 38.14 كجم لكل متر مربع في الساعة، وهو أعلى بمقدار 8.5 مرات من الغشاء ثنائي الأبعاد الذي طوره الفريق سابقًا. في اختبار تقادم متسارع لمياه البحر استمر 30 يومًا متواصلاً، لم يحدث أي انفصال للجسيمات النانوية، ولم تنتج المادة جذورًا حرة نشطة تحت الضوء، مما حل مشكلة تحلل القاعدة العضوية.
لدفع المادة الجديدة من المختبر نحو التطبيق، قام الفريق في قاعدة اختبارات الهندسة بمعهد هندسة العمليات في لانغفانغ، باستخدام مفاعل حراري مائي سعته 20 لترًا وفرن نفق متعدد مناطق درجات الحرارة، بتحقيق إنتاج كمي على مستوى مئات الجرامات. ومن خلال تحسين التوزيع باستخدام محاكاة ديناميك الموائع الحاسوبية، طور الفريق نظامًا هجينًا معياريًا للطاقة الكهروضوئية والحرارية، وبنى جهازًا تجريبيًا خارجيًا بمساحة 0.75 متر مربع.
تحت ضوء الشمس الطبيعي، ينتج هذا الجهاز 20.16 لترًا من المياه العذبة يوميًا، وهو ما يكفي لتلبية احتياجات الشرب الأساسية لحوالي 10 أشخاص، وتصل جودة المياه إلى معايير منظمة الصحة العالمية لمياه الشرب. وقد تم استخدام المياه العذبة المنتجة بنجاح في ري مساحة 5 أمتار مربعة من الأراضي الزراعية لمدة عام كامل، حيث أكملت محاصيل مثل السبانخ والذرة والملفوف الصيني دورة نموها الكاملة، مما يؤكد جدوى استخدامها في الري الزراعي. يُظهر تحليل التكلفة على مدى دورة الحياة الكاملة أنه بعد عامين من تشغيل الجهاز، ستكون تكلفة إنتاج المياه أقل من سعر المياه المعبأة تجاريًا.
يواصل فريق البحث حاليًا تحسين كفاءة التكثيف وتكاليف النظام، لدفع هذه التقنية نحو التطبيق على نطاق واسع في المناطق الساحلية التي تعاني من ندرة المياه والجزر والمناطق النائية.
تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com
