ताजे पानी की कमी सामाजिक विकास के लिए एक गंभीर चुनौती बन रही है। बताया गया है कि वैश्विक आबादी के 29% लोगों के पास सुरक्षित पेयजल की कमी है, और जनसंख्या वृद्धि और पर्यावरणीय मुद्दों के कारण स्वच्छ पानी की मांग अभी भी बढ़ रही है। स्वच्छता से जुड़ा स्वच्छ पानी कोरोनावायरस रोग (नियोकोरोनावायरस निमोनिया) के मौजूदा प्रकोप के संदर्भ में विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। सौर ऊर्जा से चलने वाले पानी के वाष्पीकरण को एकमात्र ऊर्जा इनपुट के रूप में सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके समुद्री जल और अपशिष्ट जल से स्वच्छ पानी बनाने के लिए सबसे आशाजनक तकनीकों में से एक माना जाता है। यह तकनीक सौर अवशोषक पर बहुत अधिक निर्भर करती है, जो भाप बनाने के लिए सौर ऊर्जा को ऊष्मा में बदलने के लिए वाष्पीकरणकर्ता के रूप में कार्य करते हैं। उच्च जल वाष्पीकरण दर और सौर ताप रूपांतरण दक्षता प्राप्त करने के लिए, आदर्श सामग्री में सौर स्पेक्ट्रम के एक बड़े हिस्से का कुशलतापूर्वक उपयोग करने के लिए अवशोषण की एक विस्तृत श्रृंखला होनी चाहिए, गर्मी के नुकसान को दबाने के लिए कम तापीय चालकता और कुशल जल परिवहन के लिए त्रि-आयामी (3D) छिद्रपूर्ण चैनल होने चाहिए। अब तक, वैज्ञानिकों ने कार्बन (जैसे, ग्रेफीन या कार्बन नैनोट्यूब), पॉलिमर, धातु और धातु ऑक्साइड और उनके संकर आदि पर आधारित विभिन्न फोटोथर्मल सामग्री विकसित की है।
हाल के वर्षों में वैज्ञानिक कई खोज करने और सफलता प्राप्त करने के लिए कड़ी मेहनत कर रहे हैं, तो आइए हाल के वर्षों में फोटोथर्मल स्वच्छ जल उत्पादन में अनुसंधान प्रगति के बारे में कई सामयिक प्रकाशनों से जानें।
- नेचर कम्युनिकेशंस: पौधों की पत्तियों से सौर ऊर्जा से चलने वाले, उच्च दक्षता वाले जल शोधक को प्रेरणा मिली
प्राकृतिक संवहनी पौधों की पत्तियाँ सूर्य के प्रकाश से ऊर्जा प्राप्त करके टन भर स्वच्छ जल का उत्पादन करने के लिए परासरण दाब, वाष्पोत्सर्जन और उत्सर्जन में अंतर पर निर्भर करती हैं। इससे प्रेरित होकर, किंगहुआ विश्वविद्यालय में चुन ली के समूह के शोधकर्ताओं ने कुशल जल शोधन और उत्पादन के लिए सूर्य के प्रकाश से चलने वाले एक शोधक की रिपोर्ट दी है। इस सूर्य के प्रकाश से चलने वाले शोधक में एक ऋणात्मक तापमान-प्रतिक्रियाशील पॉली(एन-आइसोप्रोपाइलएक्रिलामाइड) हाइड्रोजेल (PN) होता है, जो एक अतिजल-प्रेमी मेलामाइन फोम आधार पर टिका होता है और इसके बाहरी भाग पर PNIPAm-संशोधित ग्राफीन (PG) फिल्टर झिल्ली की परत चढ़ी होती है। आणविक गतिशीलता सिमुलेशन और प्रायोगिक परिणामों से पता चला कि अपेक्षाकृत कठोर मेलामाइन आधार की अतिजल-प्रेमी प्रकृति ने PNPG-F शोधक की फूलने/सिकुड़ने की दर को काफी तेज कर दिया। समान सूर्यप्रकाश तीव्रता के तहत, इस सुविचारित संरचना ने वाष्पीकरण और ड्रिप जल संचयन के सहक्रियात्मक प्रभावों के माध्यम से खारे पानी से एकल PNPG-F के लिए 4.2 kg/m2/h जल संग्रहण और 99% से अधिक आयन निष्कासन प्रदान किया। लेखक इस अत्यधिक कुशल सूर्यप्रकाश-चालित प्रणाली के विभिन्न जल उपचार अनुप्रयोगों में अपार संभावनाओं की कल्पना करते हैं। यह अध्ययन "पौधों की पत्तियों से प्रेरित सूर्यप्रकाश-चालित शोधक उच्च-दक्षता स्वच्छ जल उत्पादन के लिए" शीर्षक से नेचर पत्रिका के उपपत्रिका नेचर कम्युनिकेशंस में प्रकाशित हुआ था।
- विज्ञान की प्रगति: सौर जल शोधन के लिए प्रकाश-अवशोषित हाइड्रोजेल के अत्यधिक हाइड्रेटेबल पॉलिमर नेटवर्क
जल शोधन के लिए सौर जल वाष्पीकरण मीठे पानी के उत्पादन के लिए एक आशाजनक तकनीक है। हालांकि, सौर वाष्प उत्पादन ऊर्जा गहन है, जिसके परिणामस्वरूप प्राकृतिक दिन के उजाले में कम पानी का उत्पादन होता है। इसलिए, नई सामग्रियों को विकसित करने की बहुत आवश्यकता है जो जल वाष्पीकरण के लिए ऊर्जा की मांग को कम कर सकें और सौर जल शोधन में तेजी ला सकें। अमेरिका के टेक्सास के ऑस्टिन में प्रोफेसर गुइहुआ यू के समूह ने एक अत्यधिक हाइड्रेटेड प्रकाश-अवशोषित हाइड्रोजेल (एच-एलएएच) की रिपोर्ट की, जो हाइड्रेशन बैकबोन के रूप में पॉलीविनाइल अल्कोहल और चिटोसन और प्रकाश अवशोषक के रूप में पॉलीपीरोल से बना है, जो पानी को वाष्पित करने के लिए कम ऊर्जा (पानी की मात्रा का <50%) का उपयोग कर सकता है। एच-एलएएच-आधारित सौर जल वाष्पीकरण ने जटिल आयनिक संदूषकों के विरुद्ध दीर्घकालिक स्थायित्व और एंटीफाउलिंग गुण भी प्रदर्शित किए। यह शोध विज्ञान उप-पत्रिका विज्ञान एडवांस में “पौधे की पत्तियों से प्रेरित सूर्य के प्रकाश से चलने वाला शोधक उच्च दक्षता वाले स्वच्छ जल उत्पादन के लिए” शीर्षक से प्रकाशित हुआ था।
- एंजेव: फोटोथर्मल जल वाष्पीकरण के लिए सुपरहाइड्रोफिलिसिटी और व्यापक तरंगदैर्ध्य प्रकाश अवशोषण के साथ सीओएफ सामग्री
छिद्रयुक्त कार्बनिक पॉलिमरों की अंतर्निहित हाइड्रोफोबिसिटी और सीमित प्रकाश अवशोषण, विशेष रूप से निकट-अवरक्त (एनआईआर) क्षेत्र में, दो अड़चनें हैं जो सौर भाप उत्पादन (एसएसजी) में उनके अनुप्रयोग में बाधा डालती हैं। जिलिन विश्वविद्यालय में शियाओली यान के समूह के शोधकर्ताओं ने 1,4,5,8 टेट्राकिस (फेनिलएमिनो) एन्थ्रेसीन-9,10-डायोन (टीपीएडी) (टीपीएडी-सीओएफ) पर आधारित एक सहसंयोजक कार्बनिक ढांचा (सीओएफ) विकसित किया है, जिसकी विशेषता सुपरहाइड्रोफिलिसिटी और संपूर्ण यूवी/दृश्य एनआईआर क्षेत्र से एसएसजी को कवर करने वाला व्यापक प्रकाश अवशोषण है। टीपीएडी-सीओएफ, बिना किसी योजक के एक कुशल फोटोथर्मल रूपांतरण सामग्री के रूप में, 1.42 किग्रा/एम2/घंटा का उत्कृष्ट जल वाष्पीकरण प्रदर्शित करता व्यवस्थित नियंत्रण प्रयोग और विश्लेषण इस बात की पुष्टि करते हैं कि फोटोथर्मल रूपांतरण सामग्री की हाइड्रोफिलिसिटी फोटोथर्मल जल वाष्पीकरण के लिए उपयोग किए जाने वाले वर्तमान टीपीएडी-आधारित सीओएफ में अधिक प्रभावी भूमिका निभाती है। शोध कार्य, जिसका शीर्षक है "सुपरहाइड्रोफिलिक94डी सहसंयोजक कार्बनिक फ्रेमवर्क एज़ ब्रॉडबैंड एब्जॉर्बर्स फॉर एफिशिएंट सोलर स्टीम जेनरेशन," शीर्ष-स्तरीय अंतरराष्ट्रीय पत्रिका एंजेवाइज़ में प्रकाशित हुआ था। यह कार्य शीर्ष अंतरराष्ट्रीय पत्रिका एंजेव. केम. इंट. एड में प्रकाशित हुआ था।
- जेएसीएस: फोटोथर्मल जल वाष्पीकरण के लिए हाइड्रोफिलिक-हाइड्रोफोबिक दोहरे क्षेत्र सीओएफ/ग्रेफीन हाइड्रोजेल
सौर जल वाष्पीकरण एक स्थायी जल उपचार तकनीक है जो वैश्विक जल की कमी को कम करने में मदद कर सकती है। हालाँकि, इस तकनीक को उच्च ऊर्जा खपत और जल वाष्पीकरण की कम वाष्पीकरण दर के कारण बड़ी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। जर्मनी के बर्लिन के तकनीकी विश्वविद्यालय में प्रोफ़ेसर आर्ने थॉमस के समूह ने एक सहसंयोजक कार्बनिक ढाँचा (COF)/ग्रेफीन दोहरे क्षेत्र हाइड्रोजेल की रिपोर्ट की है जिसमें एक सरल इन-सीटू विकास रणनीति के माध्यम से एक सामग्री में हाइड्रोफिलिक और हाइड्रोफोबिक दोनों क्षेत्र शामिल हैं। हाइड्रोफिलिक COF हाइड्रोफोबिक ग्रेफीन क्षेत्र के हिस्से को कवर करता है। दो गीले क्षेत्रों के सटीक नियंत्रण से, हाइब्रिड हाइड्रोजेल प्रभावी प्रकाश संचयन, ट्यूनेबल वेटेबिलिटी, अनुकूलित जल सामग्री और जल वाष्पीकरण के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता को दर्शाता है। एक सौर अवशोषक के रूप में, दोहरे क्षेत्र हाइड्रोजेल 3.69 सौर विकिरण (2kw/m1) के लिए 1 kg/m2/h तक की वाष्प उत्पादन दर प्राप्त करता है, जो अन्य उन्नत सामग्रियों के बराबर है। इसके अलावा, इस हाइड्रोजेल इवेपोरेटर का उपयोग समुद्री जल और सीवेज से पीने योग्य पानी बनाने के लिए किया जा सकता है, जो जल उपचार की क्षमता को दर्शाता है। शोध कार्य को जेएसीएस नामक पत्रिका में “ए कोवेलेंट ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क/ग्राफीन डुअल-रीजन हाइड्रोजेल फॉर एनहैंस्ड सोलर-ड्रिवन वाटर जेनरेशन” शीर्षक से प्रकाशित किया गया था, जो एक शीर्ष अंतरराष्ट्रीय पत्रिका है।
- विज्ञान की प्रगति: जल लिली ब्लेड संरचना से प्रेरित उच्च दक्षता वाला फोटोथर्मल जल वाष्पक
हाल के वर्षों में, अंतरापृष्ठीय सौर वाष्प उत्पादन ने विलवणीकरण और अपशिष्ट जल उपचार के लिए उच्च ऊर्जा रूपांतरण दक्षता प्राप्त करने में बहुत संभावना दिखाई है। हालांकि, सौर अवशोषक पर गंदगी या नमक के अपरिहार्य संचय के कारण उच्च वाष्पीकरण दर को बनाए नहीं रखा जा सकता है। विलेय सांद्रता बढ़ने पर क्षरण तेज हो जाता है। इस समस्या के समाधान के लिए, नानजिंग विश्वविद्यालय में प्रो. जिया झू के समूह ने जल लिली के पत्तों की संरचना से प्रेरित होकर एक बहु-चरण संरचना (जल-लिली से प्रेरित पदानुक्रमित संरचना (WHS) फोटोथर्मल-वाष्प रूपांतरण उपकरण तैयार किया, जो 80 wt% अत्यधिक केंद्रित खारे पानी और 10 wt% अपशिष्ट जल का उपचार करते समय 30% फोटोथर्मल रूपांतरण दक्षता प्राप्त कर सकता है। यह उल्लेखनीय है कि अत्यधिक केंद्रित नमकीन पानी और अपशिष्ट जल के उपचार के दौरान फोटोथर्मल रूपांतरण दक्षता में तब तक काफी कमी नहीं आती है जब तक कि वाष्पीकरण पूरा न हो जाए (यानी, "शून्य निर्वहन"), और सतह साफ रहती है। यह कार्य साइंस एडवांस में "उच्च लवणता वाले नमकीन पानी के स्थिर और कुशल सौर वाष्पीकरण के लिए
- नैनो ऊर्जा: फोटोथर्मल जल वाष्पीकरण के लिए मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड
डीकिन विश्वविद्यालय के इंस्टीट्यूट फॉर फ्रंटियर मैटेरियल्स में लिफेंग वान के समूह के शोधकर्ताओं ने आंशिक क्रिस्टल रूपांतरण के माध्यम से सौर जल वाष्पीकरण के लिए संक्रमण धातु डाइसल्फाइड और नाइट्रोजन-समृद्ध नाइट्राइड हेटरोस्ट्रक्चर की एक श्रृंखला विकसित की है। विशेष रूप से, ये उन्नत 2D हेटरोस्ट्रक्चर अवरक्त श्रेणी में बढ़ी हुई स्पेक्ट्रल अवशोषण क्षमता और जल, अम्ल और क्षार सहित विभिन्न विलयनों में उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरता प्रदर्शित करते हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि बढ़ी हुई स्पेक्ट्रल अवशोषण तीव्रता और कम ऊष्मा हानि के कारण, MoS2-Mo5N6/ मेलामाइन फोम (MF) सौर तापीय उपकरण उच्च वाष्पीकरण दर (2.31 kg m-2h-1) और रूपांतरण दक्षता (106.6%) प्रदर्शित करता है, जो MoS2/MF और MF/जल सौर उपकरणों की तुलना में क्रमशः 1.4 और 4.7 गुना अधिक है। यह कार्य सौर जल उत्पादन के लिए उत्कृष्ट फोटोथर्मल प्रदर्शन वाले उन्नत 2D-2D TMDs-नाइट्रोजन-समृद्ध नाइट्राइड हेटरोस्ट्रक्चर की एक श्रृंखला प्रदान करता है। यह शोध कार्य "सौर जल उत्पादन के लिए संक्रमण धातु डाइचैल्कोजेनाइड्स और नाइट्रोजन-समृद्ध नाइट्राइड्स की उन्नत 2डी-2डी हेटरोस्ट्रक्चर" शीर्षक से एक शीर्ष अंतरराष्ट्रीय पत्रिका में प्रकाशित हुआ था।
सौर फोटोथर्मल जल वाष्पीकरण प्रौद्योगिकी से स्वच्छ पानी की वैश्विक कमी को हल करने की उम्मीद है, अब जो हल करने की जरूरत है वह है फोटोथर्मल सामग्रियों की कम लागत वाली तैयारी, उच्च दक्षता संचालन, साथ ही व्यावहारिक अनुप्रयोग वातावरण में उपयोग की स्थिरता और पोर्टेबिलिटी, सभी मानव जाति के शुरुआती लाभ के लिए भविष्य में और अधिक परिणामों की उम्मीद है!
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