I sistemi di depurazione dell’acqua, che si basano su una superficie esagonale, sono stati un’esperienza di sviluppo più avanzata, che ha permesso di individuare le soluzioni più avanzate per la raccolta di acqua, che hanno permesso di individuare le più importanti sfide dell’umanità: la scarsità di acqua globale, che hanno interessato oltre due miliardi di persone che vivono in regioni a rischio di acqua,

Perché Graphene sta promettendo per le tecnologie dell'acqua

L’idoneità del Graphene per le applicazioni legate all’acqua deriva da una combinazione di proprietà fisiche e chimiche che possono essere abbinate a pochi altri materiali. La sua superficie teorica specifica di circa 2.630 m2/g offre un’ampia interfaccia per assorbire contaminanti o facilitare il trasferimento di calore. La forza meccanica intrinseca del materiale, circa 200 volte quella dell’acciaio, consente di trattare la fabbricazione di ultrathin, membrane robuste che possono sopportare elevate pressioni senza compromettere la stabilità acida.

Le caratteristiche di coltura e di coltura di coltura devono essere adattate in modo più efficace alle caratteristiche di coltura, che possono essere adattate in modo più flessibile alle proprietà di ossido di grafite, e che possono essere assemblate in particelle di grafite contemporaneamente, con l’ausilio di sostanze inquinanti.

Membrani di filtrazione a base di Grafene

Una delle applicazioni più mature della grafina nella tecnologia dell'acqua è lo sviluppo di membrane di filtrazione avanzate. Le membrane tradizionali inversa osmosi e nanofiltrazione, spesso realizzate in compositi poliammide a film sottile, soffrono di un trade-off fondamentale tra permeabilità e selettività. Le membrane a base di grana promettono di rompere questo compromesso fornendo strati selettivi ultra-pensati con pori progettati con precisione.

Membrana di laminar di ossido di greggio

Le membrane di ossido di Graphene (GO) sono costituite da fogli impilati che formano gallerie interlayer che variano tipicamente da 0,8 a 1,5 nm di larghezza. Le molecole di acqua possono viaggiare rapidamente attraverso questi nanocanali, guidati da forze capillari e legame di idrogeno, mentre ioni idratati più grandi, molecole organiche e patogeni sono efficacemente sradicati.

Le membrane GO si sono concentrate sulla stabilizzazione delle membrane GO in ambienti acquosi, in quanto l'incontaminato GO tende a gonfiare o delaminare nel tempo. Le strategie includono il crosslink chimico con diamine, l'incorporazione di nanocristalli di cellulosa, o l'integrazione del laminato GO in una matrice di polimeri.

Membrane di Grafene Porose

Oltre ai progetti di laminari, i ricercatori stanno anche creando membrane di grafine a singolo strato o a pochi strati con pori di sub-nanometro introdotti deliberatamente attraverso tecniche come l'incisione del plasma dell'ossigeno, il bombardamento di ioni o l'irradiazione di raggi elettroni concentrati.

Tuttavia, le membrane porose del grafo di scaling rimangono una sfida significativa. La creazione di film di grafine privi di difetto e poi l'introduzione di pori uniformi con distribuzioni di dimensioni strette richiede attrezzature costose e controllo di processo preciso. Tuttavia, il progresso nella deposizione chimica del vapore del rotolo-a-roll (CVD) e le tecniche di trasferimento stanno gradualmente rendendo queste membrane più accessibili per i test su scala pilota.

Membrani ibridi e compositi

Per combinare i punti di forza del grafo con altri materiali, i ricercatori stanno sviluppando membrane ibride che incorporano i fiocchi di grafo all'interno di una matrice di polimeri o di grafite di strato sui supporti ceramici.Questi compositi spesso espongono una maggiore stabilità meccanica, resistenza al fouling e carica superficiale tunable.

Collegamento esterno: Natura: Realizzazione del potenziale delle membrane a base di grafine per la purificazione dell'acqua

Evaporazione di acqua fototermica

L'acqua di raccolta da fonti saline o inquinate con energia solare è una pratica antica, ma il grafo ha rivoluzionato l'efficienza dell'evaporazione fototermica. Quando si disperde in acqua o strutturato come un film o aerogel, il grafo mostra l'assorbimento della luce ad ampio spettro (da UV a infrarossi) e converte in modo efficiente i fotoni assorbiti in calore.

Evaporatori solari basati su Graphene

Tuttavia, l'efficienza è stata limitata dalle perdite di calore al liquido di massa. Gli approcci moderni impiegano strutture galleggianti, porose in grafine che limitano il calore alla superficie evaporativa. Le configurazioni tipiche dei kW includono aerogel del ossido di grafine, espansi di ossido di grafine ridotti e spugne di cellulosa ricoperte di grafine al 90%.

Un esempio notevole è lo studio del 2020 in Materiale avanzato, dove i ricercatori hanno fabbricato una schiuma di grafie gerarchiche con una struttura microporosa che ha fornito sia il trasporto capillare dell'acqua che il riscaldamento solare efficiente. Il dispositivo ha prodotto acqua pulita ad una velocità di 2,5 kg/m2·h sotto un sole, e l'acqua raccolta ha incontrato gli standard di acqua potabile dell'acqua per il ciclo di rigenerazione del sale e la schiuma microbica.

Integrazione con altre tecnologie

I sistemi di grafite fototermali sono sempre più combinati con altre funzioni per creare dispositivi di raccolta dell'acqua multifunzionale. Ad esempio, alcuni ricercatori hanno integrato evaporatori solari a base di grafine con moduli termoelettrici che utilizzano il gradiente di temperatura tra la superficie di evaporazione calda e l'aria ambiente per generare elettricità. Tali dispositivi ibridi possono fornire acqua dolce e potenza per le comunità remote, come dimostrato in un 2022

Un'altra direzione promettente è l'incorporazione di nanoparticelle fotocatalitiche (ad esempio, TiO2 o g-C3N4) su superfici in grafine per consentire il degrado simultaneo di inquinanti organici durante l'evaporazione.

Collegamento esterno: RSC Energia & Scienze Ambientali: Generatore di vapore solare ibrido e dispositivo termoelettrico[

Raccolte d'acqua atmosferica di Graphene-Enhanced

La raccolta di acqua atmosferica (AWH) - l'estrazione dell'umidità dall'aria - ha ottenuto la trazione come mezzo per produrre acqua dolce nelle regioni aride.

Sistemi basati su sopzioni con Graphene Aerogels

I condensatori convenzionali come il gel di silice o zeoliti hanno un'assorbimento limitato dell'acqua e richiedono alte temperature di rigenerazione. Gli aerogel del gesso – le reti porose di fogli di grafie – possono essere funzionalizzati con sali igroscopici (ad esempio, LiCl, CaCl2) per raggiungere elevate capacità di assorbimento del vapore acqueo, spesso superiori a 2,0 g di acqua per fase di sorbente a umidità moderata

In uno studio del 2021 pubblicato in ]Science Advances, un aerogel catturato in grafine di LiCl dall'aria di notte (quando l'umidità è alta) e rilasciato durante il giorno sotto la luce del sole, producendo 0,5 L di acqua per chilogrammo di per ciclo sorbente.

Fog Harvesting con maglia ricoperta di Grafene

La raccolta di fogri è una tecnica passiva che raccoglie gocce d’acqua dal vento di nebbia-laden che utilizza reti di mesh. Le reti tradizionali di polipropilene hanno un’efficienza di raccolta ridotta, perché le piccole gocce tendono a scorrere intorno alle fibre piuttosto che a colpirle.

Link esterno: Avanti di emergenza: aerogel di grafie igroscopiche per la raccolta di acqua atmosferica

Integrazione con la dealinizzazione solare-dritta

Mentre l'evaporazione fototermica e la filtrazione a membrana sono promettenti individualmente, la loro combinazione in sistemi di desalinizzazione integrati a energia solare offre vantaggi sinergici. Il grembo può servire sia come assorbitore fotovoltaico che come materiale a membrana in un unico dispositivo. Ad esempio, i ricercatori hanno sviluppato un dispositivo galleggiante che utilizza uno strato fototermico basato su grafine sulla parte superiore di una membrana ossido di grafine.

I recenti progetti pilota in India e nell’Africa subsahariana hanno testato queste unità integrate. Un test sul campo nel Rajasthan rurale ha dimostrato che un solare a basso costo basato sul grafo potrebbe ancora produrre 12 L/m2 al giorno in un periodo di 10 mesi, con requisiti di manutenzione minimi rispetto ai tradizionali fermi solari.

Sfide e scalabilità

Nonostante i notevoli progressi del laboratorio, diverse barriere devono essere superate prima che le tecnologie di raccolta dell’acqua a base di grafine possano essere ampiamente adottate. In primo luogo, la sintesi su larga scala di grafine di alta qualità e ossido di grafine rimane costosa e ad alta intensità di energia.

In secondo luogo, la stabilità a lungo termine dei materiali grafici in ambienti reali richiede un'indagine approfondita. Mentre i test di laboratorio mostrano un minimo degrado nei giorni o nelle settimane, le acque reali contengono un cocktail di materia organica dissolta, microrganismi e cationi divalenti che possono causare fouling, scaling, o disintegrazione di strutture a base di grafie.

In terzo luogo, la potenziale tossicità dei nanomateriali del grafo solleva preoccupazioni ambientali e sanitarie che potrebbero ostacolare l'accettazione della normativa. Alcuni studi in vitro suggeriscono che i bordi affilati o le specie di ossigeno reattivi generate dal grafo possono danneggiare le membrane cellulari o indurre lo stress ossidativo. Tuttavia, la maggior parte di questi studi utilizzano alte concentrazioni di grafine non rappresentative di scenari di esposizione realistica.

Link esterno: Desalination: Valutazione del ciclo di vita delle membrane a base di grafine per il trattamento delle acque

Direzioni e ricerca futuri

In vista di un futuro, diverse tendenze emergenti promettono di accelerare la traduzione delle tecnologie dell'acqua del grafo da laboratorio a mercato. Uno è l'uso di machine learning e intelligenza artificiale per ottimizzare i parametri di sintesi per le membrane del grafo.

Un'altra frontiera è lo sviluppo di compositi grafifenici autoguarinti che possono riparare autonomamente microfratture o strati fouling.Ispirati da sistemi biologici, i ricercatori hanno incorporato microcapsulli contenenti agenti curativi che vengono rilasciati sul danno.

Infine, le partnership politiche e industriali saranno cruciali: organizzazioni come il Forum economico mondiale e l'Acceleratore per l'accesso all'acqua delle Nazioni Unite hanno identificato materiali avanzati come un fattore chiave per raggiungere il raggiungimento dell'obiettivo di sviluppo sostenibile 6 (acqua pulita e igienico-sanitari).

Conclusioni

Il Grapheali ha cambiato radicalmente il paesaggio della raccolta di acqua sostenibile, consentendo la filtrazione a membrana con una selettività e una permeabilità senza precedenti, l'evaporazione fototermica con un'efficienza solare quasi perfetta, e la cattura di acqua atmosferica dall'aria ancora asciutta.