Учёные превратили шерстяную ткань в солнечный опреснитель воды
Исследователи Корнеллского университета показали, что обработанная полидофамином шерстяная ткань может использовать солнечный свет для опреснения солёной воды. Ультрачёрная версия материала обеспечила скорость испарения до 2,43 килограмма воды с квадратного метра в час и сохраняла стабильную работу в течение 10 часов без мешающего процессу накопления соли.
Работу возглавила доцент кафедры дизайна, ориентированного на человека, Корнеллского университета Ларисса Шепард. Ведущим автором исследования стал Кьюин Парк, ранее работавший в её лаборатории Responsive Apparel Design Lab. Учёные использовали технологию, первоначально разработанную для создания чрезвычайно тёмной шерстяной ткани.
В основе материала лежит полидофамин — меланиноподобный полимер, который хорошо связывается с различными поверхностями и эффективно поглощает ближнее инфракрасное излучение, преобразуя световую энергию в тепло. Ранее команда использовала окрашивание шерсти полидофамином вместе с плазменным травлением поверхности волокон для создания ультрачёрного материала.
Плазменная обработка формирует на шерстяных волокнах наноструктуры, которые уменьшают отражение света и усиливают его поглощение. При разработке этого материала исследователи вдохновлялись оперением великолепной щитоносной райской птицы Ptiloris magnificus, перья которой благодаря своей микроструктуре выглядят исключительно чёрными.
В новой работе те же свойства решили использовать не ради цвета, а для получения пресной воды. Материал испытали в системе межфазного солнечного испарения, при которой вода поднимается по пористой структуре ткани, нагревается непосредственно у поверхности солнечным светом и превращается в пар. После конденсации этот пар можно собирать в виде опреснённой воды, тогда как большая часть соли остаётся в исходном растворе.
Шерсть оказалась удобной основой благодаря естественной волокнистой структуре, которая обеспечивает капиллярное перемещение воды. Полидофамин дополнительно усиливает поглощение солнечного излучения, а наноструктуры после плазменной обработки помогают удерживать свет и улучшают перенос влаги.
Исследователи сравнили три варианта расположения материала. Ткань размещали горизонтально на поверхности воды, вертикально с освещением одной стороны и вертикально с одновременным освещением обеих сторон при помощи зеркал.
Наиболее эффективной оказалась двусторонняя вертикальная схема. Ультрачёрная шерсть в таких условиях достигла скорости испарения 2,43 кг/м² в час. Шерсть, обработанная только полидофамином без дополнительного плазменного травления, показала 2,21 кг/м² в час.
Оба показателя почти вдвое превышали производительность традиционных горизонтальных систем испарения, рассмотренных исследователями в качестве сравнительного варианта. Вертикальная конструкция позволяет одновременно использовать обе стороны ткани и увеличивает эффективную поверхность испарения.
Материал также продемонстрировал устойчивость к одной из основных проблем солнечных опреснителей — накоплению кристаллов соли. При продолжительной работе соль может осаждаться на поверхности испарителя, блокировать поступление воды и солнечного света и постепенно снижать производительность.
В испытаниях система сохраняла стабильную скорость испарения в течение 10 часов непрерывной работы без заметного накопления соли, способного нарушить её функционирование. По данным исследовательской группы, содержание соли в полученной воде оставалось значительно ниже предельных значений, установленных Всемирной организацией здравоохранения для питьевой воды.
Дополнительным преимуществом шерсти исследователи считают её биоразлагаемость. Многие экспериментальные солнечные испарители создаются на основе синтетических полимеров и наноматериалов, которые после разрушения системы могут становиться источником микропластика или других стойких загрязнителей. Натуральная шерсть позволяет уменьшить этот риск.
При этом результаты показали, что изготовление именно ультрачёрной версии материала необходимо не всегда. Ткань, обработанная только полидофамином, уже достигла скорости 2,21 кг/м² в час, тогда как дополнительное плазменное травление увеличило этот показатель до 2,43 кг/м² в час.
По словам Лариссы Шепард, в некоторых случаях дополнительный технологический этап может оказаться неоправданным, однако при длительной эксплуатации даже сравнительно небольшое увеличение скорости испарения способно дать существенный дополнительный объём воды за год.
Исследователи рассматривают технологию как потенциально недорогой способ солнечного опреснения для районов с ограниченной инфраструктурой. Для работы системы не требуется отдельный источник энергии для нагрева воды, поскольку необходимое тепло обеспечивает солнечное излучение.
Следующим этапом станет испытание обработанной шерсти не только с солёной водой, но и с дождевой и сточной водой. Команда также планирует совершенствовать конструкции для эффективного сбора и конденсации образующегося водяного пара, поскольку высокая скорость испарения сама по себе ещё не определяет производительность полноценной установки по получению питьевой воды.
Исследование в журнале Advanced Science.