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Un nuovo modo per generare vapore solare per pulire l'acqua e ridurre gli sprechi
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Le strategie per la purificazione dell'acqua abbondano, ma tendono a richiedere molta energia. Gli scienziati di Argonne stanno esplorando materiali che possono usare efficacemente la luce solare per concentrare il calore direttamente sulla superficie dell'acqua per produrre vapore pulito da catturare.
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Le strategie per la purificazione dell'acqua abbondano, ma tendono a richiedere molta energia. Per sfruttare le abbondanti risorse del sole, gli scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory stanno esplorando materiali che possono convertire efficacemente la luce solare in calore e concentrare quel calore direttamente sulla superficie dell'acqua, dove è necessario per l'evaporazione.
Come parte di questo obiettivo, un team guidato dai ricercatori di Argonne ha scoperto un metodo nuovo, ma semplice, per generare vapore solare utilizzando una classe di materiali recentemente scoperta di recente, chiamati strutture organiche di porfirina, o POFs. I materiali galleggianti trattati con i POF possono catturare l'energia solare per far evaporare l'acqua in un vapore pulito per catturare e lasciare i contaminanti, o concentrare le acque reflue per ridurre i costi di smaltimento. I dettagli sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Advanced Materials Interfaces.
L'articolo della rivista è uno dei primi ad emergere dal Centro di Argonne Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Center, un centro di ricerca DOE Energy Frontier. La ricerca di AMEWS si concentra sulle soluzioni alle crisi idriche nel mondo esaminando le interfacce tra materiali e acqua.
Il risultato del POF potrebbe informare le strategie per la desalinizzazione e per il trattamento delle acque reflue, in particolare in ambienti industriali. Nell'industria petrolifera e del gas, ad esempio, l'acqua utilizzata nelle fratture idrauliche si trova tipicamente in grandi bacini di smaltimento fino a quando il liquido evapora e il volume dei rifiuti diventa più gestibile.
"C'è una reale opportunità di migliorare significativamente l'efficienza operativa aumentando drasticamente il tasso di evaporazione dell'acqua per quegli stagni", ha detto Seth Darling, direttore di AMEWS e del Center for Molecular Engineering (CME). Il team di ricerca comprendeva anche scienziati della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago e dell'Università cinese Sun Yat-sen.
I POF sono un sottoinsieme di strutture organiche covalenti - solidi reticolari che possono crescere indefinitamente grandi come cristalli. Quando i ricercatori hanno applicato un rivestimento a base di POF a substrati come legno, tessuti e membrane, hanno scoperto che questi materiali a base di carbonio possedevano le giuste proprietà per generare vapore solare. I POF catturano un'ampia gamma di lunghezze d'onda luminose e trasformano la luce in calore.
Altri materiali hanno queste capacità fototermiche, ma il trucco è quello di trovare quelli che possono rivestire uniformemente i materiali porosi, rimanere stabili nei liquidi e potenzialmente scalare per l'uso in ambienti commerciali. Un esempio è l'inchiostro cinese incapsulato, un altro materiale che gli scienziati di Argonne hanno dimostrato di avere un forte potenziale per la generazione di vapore solare.
Per ottenere il tipo di rivestimento stabile e uniforme necessario per gli ambienti commerciali, spesso sono necessarie più fasi e, in alcuni casi, lavorazioni costose. Con i POF, per crescere su un substrato sono necessari solo pochi semplici reagenti e un riscaldamento delicato - ciò che in chimica è noto come sintesi a vaso unico - per crescere sopra un substrato.
"E' letteralmente un passo alla volta", ha detto Darling. "La facilita' di preparazione e' il vero punto di vendita qui."
Nello studio - che è stato condotto in parte presso il Center for Nanoscale Materials, un DOE Office of Science User Facility - i ricercatori hanno documentato ottimi risultati con una gamma di materiali trattati con POF, tra cui legno, tessuto, membrana e spugna. Il legno trattato con POF ha dato ottimi risultati, convertendo l'acqua in vapore con un rendimento complessivo dell'80%.
La scoperta è in linea con il continuo lavoro di Argonne per sperimentare nuove soluzioni che garantiscano un uso più efficiente delle risorse idriche, che ora devono affrontare la pressione di una popolazione in crescita, lo sviluppo, l'inquinamento e i cambiamenti climatici.
"Ciò che accade alle interfacce acqua-solido è ciò che determina le prestazioni di tutti i tipi di diversi aspetti dei sistemi acqua-energia, che si tratti di membrane, assorbenti o sensori", ha detto Darling. "Questo studio è solo un esempio della potenza dell'ingegneria delle interfacce nelle applicazioni legate all'acqua"
Le entità interessate a conoscere la collaborazione con Argonne nello spazio acquatico - attingendo all'esperienza unica di Argonne, alla leadership di pensiero, alle strutture e agli strumenti - devono contattare anl.
Informazioni sul Centro per i materiali su scala nanometrica di Argonne
Il Center for Nanoscale Materials è uno dei cinque DOE Nanoscale Science Research Centers, una delle principali strutture nazionali per la ricerca interdisciplinare su nanoscala supportata dall'Office of Science del DOE. Insieme, le NSRC comprendono una serie di strutture complementari che forniscono ai ricercatori capacità all'avanguardia per fabbricare, elaborare, caratterizzare e modellare materiali su scala nanometrica e costituiscono il più grande investimento infrastrutturale dell'Iniziativa Nazionale Nanotecnologia. Gli NSRCs sono situati presso i laboratori nazionali DOE's Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia e Los Alamos. Per maggiori informazioni sui DOE NSRCs, visitare il sito t.
Il Laboratorio Nazionale Argonne cerca soluzioni ai pressanti problemi nazionali nel campo della scienza e della tecnologia. Primo laboratorio nazionale della nazione, Argonne conduce ricerche scientifiche di base e applicate all'avanguardia in quasi tutte le discipline scientifiche. I ricercatori dell'Argonne lavorano a stretto contatto con ricercatori di centinaia di aziende, università e agenzie federali, statali e municipali per aiutarli a risolvere i loro problemi specifici, far progredire la leadership scientifica americana e preparare la nazione per un futuro migliore. Con dipendenti provenienti da più di 60 nazioni, Argonne è gestita da UChicago Argonne, LLC per l'Ufficio delle Scienze del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.