Neue Errungenschaften chinesischer Wissenschaftler! Kann dieses Material die Süßwasserknappheitskrise wirklich lösen?

Wasser ist die Quelle des Lebens und die Grundlage für das Überleben aller Dinge auf der Welt. Obwohl die Wasserbedeckung der Erde, auf der wir leben, 70 % übersteigt, betragen die Süßwasserreserven weniger als 3 %. Die Verteilung dieses Süßwassers ist äußerst ungleichmäßig. Sie kommen in Seen, Flüssen, im Untergrund und im antarktischen Eis vor. Nur weniger als 1 % des Süßwassers steht für den menschlichen Verzehr zur Verfügung.

Bildquelle: unsplash.com Fotograf: David Becker

Darüber hinaus wird sich der weltweite Mangel an Süßwasserressourcen in Zukunft aufgrund einer Reihe von Problemen wie Umweltverschmutzung und Bevölkerungswachstum noch verschärfen. Daher hat die Lösung des Problems der Süßwasserknappheit höchste Priorität.

Am 13. September 2023 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature einen Artikel über neue photothermische Umwandlungsmaterialien. Die Einführung dieses Materials dürfte der Menschheit eine stetige Versorgung mit Süßwasserressourcen bescheren und eine sichere und ausreichende Versorgung mit Süßwasser gewährleisten!

Bildquelle: Nature Magazin.

Herstellung und Prinzip neuer Materialien

Solarenergie ist eine erneuerbare Energiequelle, die häufig zum Heizen und zur Energiespeicherung genutzt wird. Die solarbetriebene Grenzflächenwasserverdampfungstechnologie wird seit fast zehn Jahren vorgeschlagen. Das heißt, Sonnenenergie wird absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch die Verdunstung von Wassermolekülen zu Wasserdampf gefördert wird. Der Wasserdampf wird zur anschließenden Behandlung gesammelt. Diese Technologie bietet breite Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Meerwasserentsalzung zur Erzeugung von sauberem Süßwasser. Durch die Nutzung der Solarenergie kann der Verbrauch fossiler Energieträger und die damit verbundenen Umweltprobleme verringert werden.

Der Kern dieser Technologie besteht darin, die Umwandlungseffizienz von Solarthermie zu verbessern. Das von chinesischen Wissenschaftlern neu entwickelte hocheffiziente photothermische Umwandlungsmaterial gibt Anlass zur Hoffnung auf eine weitverbreitete Nutzung dieser Technologie!

Ausgehend von der Art der Wechselwirkung zwischen Sonnenlicht und Materie bei der Wärmeerzeugung haben Wissenschaftler mithilfe einschlägiger Experimente aus Chemie, Physik und Berechnungen herausgefunden, dass die in Titandioxid (TinO2n-1) vorhandene Ti-Ti-Dimerstruktur den Verteilungsbereich der Elektronenbewegung in der 3D-Schicht der elektronischen Struktur außerhalb des Ti-Kerns begrenzt, wodurch eine Lokalisierung der Elektronen im Realraum verursacht wird, und flache elektronische Zustände in der Nähe des Fermi-Niveaus einführen kann, was zu einer Erhöhung der gemeinsamen Zustandsdichte von Elektronenübergängen führt.

Basierend auf den oben genannten Prinzipien haben weitere Experimente gezeigt, dass die Absorptionsrate von λ-Ti3O5 als Titanoxidsubstanz gegenüber Sonnenlicht 95 % übersteigen kann.

Reflexionsspektren und elektronische Strukturen. Bildquelle: Referenz [1]

Darüber hinaus verwendeten die Wissenschaftler λ-Ti3O5 und Polyvinylalkohol-Materialien zur Verarbeitung und Herstellung von Verdampfern. Um die Effizienz der Wasserverdampfung zu verbessern, wurde der Verdampfer als dreidimensionale, poröse, miteinander verbundene Struktur konzipiert. Experimente haben ergeben, dass unter Sonneneinstrahlung (1 kW m-2) die pro Stunde durch dieses Gerät verdunstete Wassermenge bis zu 6,09 kg m-2 erreichen kann. Dies ist die schnellste Wasserverdunstung, die derzeit mit der solarbetriebenen Grenzflächen-Wasserverdunstungstechnologie erreicht wird. Darüber hinaus setzten die Wissenschaftler das Gerät in Experimenten zur Meerwasserentsalzung ein und sammelten dabei bis zu 23 l/m² Süßwasser pro Tag.

Es ist ersichtlich, dass durch den Einsatz dieser Ausrüstung im Bereich der Meerwasserentsalzung eine groß angelegte Süßwasseraufbereitung möglich ist, die das Problem der Süßwasserknappheit weitgehend lösen und neue Ideen für die Reinigung und Behandlung von Abwasser und Abwässern mit sich bringen wird.

Schematische Darstellung des Arbeitsvorgangs des Verdampfers mit dreidimensionaler, poröser, miteinander verbundener Struktur (a. Meerwasserentsalzungsanlage im Freien; b. Veränderungen der Sonnenenergie, der Süßwassersammelrate und der Gesamtmenge des gesammelten Süßwassers im Zeitverlauf; c. Veränderungen der Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Zeitverlauf; d. Täglicher durchschnittlicher Lichtstrom und Süßwassersammelrate). Bildquelle: Referenz [1]

Was können wir zum Schutz des Süßwassers tun?

Dank der Entdeckung neuer Materialien müssen wir nicht länger befürchten, in Zukunft kein Trinkwasser mehr zu haben. Allerdings müssen wir auch Wasser sparen und das Bewusstsein für den Schutz der Süßwasserressourcen schärfen.

Zunächst hat die Regierung sukzessive Gesetze und Vorschriften zum Schutz der Süßwasserressourcen eingeführt und verbessert und mithilfe gesetzlicher Beschränkungen alle daran erinnert, wie wichtig der Schutz von Süßwasser ist. Machen Sie politische Maßnahmen zum Schutz von Süßwasser stärker bekannt und schärfen Sie das Bewusstsein aller für die Wassererhaltung. Gleichzeitig soll die Süßwassernutzung in Landwirtschaft und Industrie optimiert und die Süßwassernutzungsrate verbessert werden.

Im Leben sollte jeder von uns darauf achten, Wasser zu sparen. Achten Sie gleichzeitig darauf, keine Abfälle, Chemikalien, Medikamente usw. in die Kanalisation zu werfen, da dies leicht zu einer Verschmutzung des Süßwassers führen kann.

Lassen Sie uns gemeinsam daran arbeiten, die Süßwasserressourcen zu schützen, Wasser vernünftig zu nutzen und nicht zuzulassen, dass der letzte Tropfen Wasser auf der Erde zu unseren Tränen wird!

Verweise

[1] Yang, B., Zhang, Z., Liu, P. et al. Flachband-λ-Ti3O5 für die außergewöhnliche solare Dampferzeugung. Natur (2023).

[2] Li Xueqin. Neuer Solarkollektor und seine Anwendung in der Meerwasserentsalzung[J]. General Machinery, 2012. DOI:CNKI:SUN:TYJS.0.2012-03-037.

[3] Xie Lixin, Li Pingli, Wang Shichang. Aktueller Stand der Meerwasserentsalzungstechnologie und Überblick über verschiedene Entsalzungsmethoden [J]. Fortschritte in der chemischen Industrie, 2003, 22(10):4. DOI:10.3321/j.issn:1000-6613.2003.10.011.

[4] Lu Zhu. Perspektiven der Wasserschutz- und Wasserressourcenrecyclingtechnologie[J]. Wasseraufbereitungstechnologie, 2002(S1):5.DOI:CNKI:SUN:ZSJS.0.2002-S1-013.

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Autor: Shi Wuyao, PhD in Biologie

Herausgeber: Yinuo