Khoáng chất cũng như nước ngọt có thể thu được bằng cách khử muối trong nước biển bằng các cơ sở năng lượng mặt trời để phát triển bền vững nền văn minh nhân loại. Ví dụ, hydrogel đã cho thấy khả năng bay hơi nước bằng năng lượng mặt trời rất lớn, mặc dù phương pháp chiết xuất mục tiêu cụ thể và hiệu quả cao vẫn đang được mở rộng.
Nền tảng khử muối và khai thác GDH chạy bằng năng lượng mặt trời. Nguồn: Science Advances , doi: 10.1126/sciadv.adj1677
Trong một báo cáo gần đây được công bố trên Science Advances , Hanxue Liang và một nhóm các nhà nghiên cứu tại trường đại học hóa học và khoa học vật liệu ở Trung Quốc, đã mô tả quá trình khử muối nước biển hiệu quả cao và chiết xuất uranium cụ thể bằng hydrogel DNA thông minh.
Hydrogel DNA thúc đẩy quá trình bay hơi của nước và hydrogel DNA đặc hiệu uranyl thể hiện khả năng thu giữ cao 5,7 mg mỗi gram uranium từ nước biển tự nhiên do sự vận chuyển ion nhanh chóng được thúc đẩy bởi sự bay hơi bề mặt tiếp xúc với năng lượng mặt trời và độ chọn lọc cao. Những phát triển này có thể tạo ra các thiết bị dễ sử dụng phù hợp cho việc xử lý nước biển trong tương lai.
Khử mặn nước biển
Xã hội loài người có thể được phát triển bền vững thông qua việc tiếp cận đủ nước ngọt và năng lượng. Vài thập kỷ qua đã chứng kiến tình trạng khan hiếm nước ngọt ngày càng tăng như một mối đe dọa đối với xã hội đang phát triển, nơi mà dân số và tăng trưởng kinh tế nhanh chóng cũng đặt ra những thách thức đối với sự phát triển bền vững.
Để tạo điều kiện tiếp cận nguồn nước ngọt, các nhà khoa học về sự sống đã sử dụng tài nguyên đại dương như quá trình khử muối trong nước biển để chiếm tới 97% tổng lượng nước trên Trái đất.
Chuẩn bị và mô tả đặc tính của GDH. (A) Sơ đồ minh họa chế phẩm GDH. APS, Amoni lưu huỳnh; BIS, N,N′-methylenebisacrylamide; TEMED, N,N,N′,N′-tetrametylethylenediamine. (B) Hình ảnh đồng tiêu của hydrogel GDH được kết hợp với acryloxyethyl thiocarbamoyl rhodamine B và được dán nhãn GelGreen tương ứng; (i) kênh xanh, (ii) kênh đỏ và (iii) kênh hợp nhất. (C) Ảnh SEM của GDH. Hình nhỏ: Hình ảnh một mảnh GDH. (D) Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier của DNA hydrogel, GO và GDH. (E) Phân tích cơ học động của DNA hydrogel và GDH. (F) Phổ hấp thụ của GDH trong dải bước sóng từ 250 đến 2500 nm. au, đơn vị tùy ý. Nguồn: Science Advances , doi: 10.1126/sciadv.adj1677
Các nhà nghiên cứu đã phát triển phương pháp khử mặn nước biển bằng năng lượng mặt trời như một phương pháp đầy hứa hẹn để sản xuất nước biển mà không tiêu tốn thêm năng lượng. Cùng với việc khử muối trong nước biển, nhiều loại khoáng sản và tài nguyên có giá trị phong phú trong đại dương có thể được khai thác đồng thời, bao gồm uranium và lithium.
Hydrogel là vật liệu mềm được tạo thành từ mạng polyme liên kết ngang 3D kỵ nước với lượng nước cao, có tính chất mềm độc đáo, tính linh hoạt và khả năng tương thích sinh học tuyệt vời.
Sự bốc hơi nước
Vật liệu sinh học dựa trên hydrogel có tốc độ bay hơi nước cực cao. Trong nghiên cứu này, Liang và nhóm nghiên cứu đã tạo ra một hệ thống bay hơi chạy bằng năng lượng mặt trời, dựa trên hydrogel DNA để sản xuất nước ngọt và nhắm mục tiêu chiết xuất ion kim loại từ nước biển tự nhiên. Các nhà khoa học đã tổng hợp hydrogel DNA được tạo thành từ các mạng polyacrylamide gắn DNA chức năng thông qua quy trình đồng trùng hợp một bước.
Các nhà nghiên cứu đã đưa graphene oxit (GO) vào hydrogel để tạo ra hydrogel DNA chứa GO, dễ dàng tái chế bằng phương pháp rửa giải đơn giản, điều khiển bằng nhiệt để kiểm tra tính khả thi của việc sản xuất nước ngọt và chiết xuất các ion kim loại có giá trị từ nước biển tự nhiên.
GDH để kích hoạt và bay hơi nước hiệu quả. (A) Sơ đồ minh họa các loại phân tử nước khác nhau trong mạng GDH. (B và C) Phổ Raman cho thấy các đỉnh phù hợp tương ứng đại diện cho IW và FW trong nước và GDH. (D) Quét vi sai các đường cong đo nhiệt lượng của sự thay đổi năng lượng thay đổi pha của nước trong nước tinh khiết, PAM và GDH. (E) Tính toán entanpy bay hơi của nước tinh khiết và nước trong GDH. (F) Mất nước hàng loạt với GDH dưới một mặt trời. (G) Tốc độ bay hơi mặt trời và hiệu suất năng lượng của GDH dưới một mặt trời. (H) So sánh hiệu suất bay hơi nước của GDH với hydrogel được báo cáo trước đó dưới một lần chiếu xạ mặt trời. PVA, rượu polyvinyl. PIL, poly(chất lỏng ion)s. (I) Sự thay đổi nhiệt độ của các GDH khác nhau dưới một bức xạ mặt trời. Nguồn: Science Advances , doi: 10.1126/sciadv.adj1677
Đặc điểm của hydrogel DNA chứa oxit graphene (GDH)
Liang và các đồng nghiệp đã điều chế hydrogel DNA chứa graphene oxit trong phản ứng đồng trùng hợp một bước bằng cách sử dụng acrylamide, N,N'-methylenebisacrylamide, DNA biến đổi acrydite, với graphene-oxide được thêm vào trước khi trùng hợp.
Các nhà nghiên cứu đã áp dụng kính hiển vi đồng tiêu để nghiên cứu cấu trúc vi mô của vật liệu đã chuẩn bị. Nhóm nghiên cứu ghi nhận các đặc tính cơ học được cải thiện của hydrogel DNA khi đưa graphene oxit vào. Việc bổ sung hợp chất này vào DNA hydrogel mang lại đặc tính hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả cao. Các vật liệu này cho thấy dải bước sóng hấp thụ có băng thông rộng và hiệu quả cao.
Các thí nghiệm
Nhóm nghiên cứu đã khám phá khả năng của vật liệu sinh học trong việc làm bay hơi nước bằng năng lượng mặt trời hiệu quả cao. Trong đó các vật liệu hình thành liên kết hydro với chuỗi polyme ưa nước để giam giữ các phân tử nước trong cấu trúc hydrogel ưa nước.
Quá trình này dẫn đến sự hình thành ba loại phân tử nước, bao gồm nước tự do, nước trung gian và nước liên kết, trong đó quá trình này cần ít năng lượng hơn để nước trung gian thoát ra khỏi hydrogel so với nước tự do chuyển từ pha lỏng khối.
Các nhóm ưa nước trong vật liệu tạo điều kiện thuận lợi cho việc kích hoạt các phân tử nước và giảm năng lượng bay hơi của nước bằng cách điều chỉnh cấu trúc liên kết hydro của các phân tử nước được bao bọc. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng quang phổ Raman để phân biệt các loại cấu trúc nước trong nước tinh khiết và trong vật liệu hydrogel.
Khả năng hấp phụ UO 2 2+ của GDH trong nước biển mô phỏng có thêm chuẩn. (A) Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ cân bằng của UO 2 2+ trong dung dịch nước dưới ánh sáng mặt trời mô phỏng hoặc trong bóng tối. (B) Đường đẳng nhiệt hấp phụ UO 2 2+ theo GDH. (C) Động học của quá trình hấp phụ UO 2 2+ bằng GDH trong nước biển mô phỏng UO 2 2+ ở các nồng độ khác nhau. (D) Phân tích XPS của GDH trước và sau khi liên kết UO 2 2+ . (E) Khả năng hấp phụ của GDH đối với các ion cản trở cùng tồn tại với nồng độ cao gấp 100 lần so với trong nước biển tự nhiên. (F) Khả năng hấp phụ cân bằng của UO 2 2+ trong sáu chu kỳ hấp phụ-giải hấp liên tiếp dưới ánh sáng mô phỏng hoặc trong bóng tối. (G) Mô phỏng số lượng sự di chuyển ion được điều khiển bởi dòng khuếch tán hoàn toàn và với sự có mặt của gradient nhiệt độ tương ứng. (H) Sơ đồ chiếu sáng sự hình thành trạng thái cân bằng di chuyển ion của hệ GDH khi bay hơi mặt trời. (I) Hiệu suất của GDH để chiết xuất uranium khi có sự gia nhiệt hoặc quá trình bay hơi bề mặt sử dụng năng lượng mặt trời. (J) Quá trình chiết xuất uranium từ mẫu mô phỏng nước mỏ của GDH trong bóng tối hoặc dưới ánh sáng. Nguồn: Science Advances , doi: 10.1126/sciadv.adj1677
Hydrogel DNA được nạp oxit graphene để chiết xuất uranium
Uranium được phân bố trong các đại dương như một nguyên tố chính trong nhiên liệu hạt nhân với mức độ dồi dào khi so sánh với đất liền. Dạng uranium chính trong nước biển là các ion uranyl, với nồng độ thấp, trong đó các nguyên tố này cùng tồn tại với nhiều ion gây nhiễu bao gồm cả vanadi.
DNAzyme hoặc DNA xúc tác có chứa các oligonucleotide DNA ngắn có thể chiết xuất các ion kim loại hiếm như ion uranyl, do chúng có ái lực cao và đặc tính liên kết ion kim loại cụ thể.
Để tạo thuận lợi cho quá trình, nhóm nghiên cứu đã mã hóa các đơn vị DNA được tích hợp vào hydrogel graphene-oxide với trình tự DNAzyme chọn lọc uranyl để tách các ion uranyl. Các thí nghiệm đối chứng cho thấy hydrogel không có DNA có khả năng hấp phụ uranium thấp hơn nhiều.
Vật liệu sinh học này cũng có khả năng chọn lọc uranium khi có mặt các ion vanadi, và sự kết hợp của DNA mang lại chìa khóa cho tính chọn lọc trong quá trình hấp phụ uranium. Các kết quả đã vạch ra phạm vi rộng của hoạt động chống bám bẩn sinh học của vật liệu sinh học cho các ứng dụng lâu dài trong khử mặn nước biển và trong quá trình khai thác uranium.
Các thí nghiệm tiếp theo và chiết xuất uranium từ nước biển tự nhiên
Liang và nhóm nghiên cứu đã thực hiện các mô phỏng số để so sánh sự di chuyển của các ion thông qua quá trình khuếch tán và ghi nhận sự hiện diện của gradient nhiệt độ khi chiếu sáng. Độ dốc nhiệt độ làm tăng sự vận chuyển các ion để thúc đẩy quá trình trong toàn bộ cấu trúc hydrogel.
Các đơn vị DNA trong vật liệu sinh học đã chiết xuất có chọn lọc các mục tiêu đa dạng để thiết lập enzyme DNA phụ thuộc ion lithium, cũng như chiết xuất ion kim loại natri, kali và magie bằng hydrogel DNA thông minh.
Khai thác uranium từ nước biển trong khi thu được nước ngọt. (A) Thử nghiệm tốc độ bay hơi nước và hiệu suất năng lượng trong nước biển trong 10 ngày đã chứng minh tính ổn định và độ bền lâu dài của thiết bị bay hơi. (B) Khai thác uranium từ nước biển tự nhiên. (C) Sự thay đổi nồng độ UO 2 2+ trong nước biển tự nhiên. (D) Ảnh chụp hệ thống khử muối bằng năng lượng mặt trời đang hoạt động tại địa điểm thử nghiệm Biển Bột Hải, Thiên Tân, Trung Quốc. (E) Bức xạ mặt trời và tốc độ bốc hơi nước ghi nhận theo thời gian vào một ngày nắng từ 10h00 đến 15h00. (F) Nồng độ của bốn ion chính được đo trong các mẫu trước và sau khi khử muối trong nước biển thực tế cho thấy khả năng loại bỏ các ion muối một cách hiệu quả. Nguồn: Science Advances , doi: 10.1126/sciadv.adj1677
Trong khi vật liệu sinh học DNA hydrogel chứa oxit graphene cho thấy khả năng chiết xuất uranyl từ nước biển tự nhiên thì khả năng chiết tăng lên dưới ánh sáng mặt trời trong quá trình thu nhiệt. Hiệu suất chiết xuất uranium bằng vật liệu sinh học cũng tốt như hiệu suất thu được từ các vật liệu chiết xuất tiên tiến.
Liang và nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm hiệu suất của vật liệu sinh học với nước biển tự nhiên thông qua quang phổ phát xạ quang học plasma kết hợp cảm ứng ở biển Bột Hải. Kết quả cho thấy khả năng làm bay hơi nước cực nhanh và có tính chọn lọc cao từ nước biển tự nhiên bằng thiết bị tích hợp vật liệu sinh học chạy bằng năng lượng mặt trời.
Quan điểm
Bằng cách này, Hanxue Liang và nhóm đã phát minh ra hệ thống bay hơi chạy bằng năng lượng mặt trời, dựa trên hydrogel DNA để đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khử mặn nước biển tốc độ cao và chiết xuất các khoáng chất đặc biệt cao bao gồm uranium và lithium. Cấu trúc mạng lưới ưa nước cao đã tạo điều kiện thuận lợi cho entanpy bốc hơi nước trong hydrogel để thúc đẩy hiệu quả quá trình bay hơi nước biển bằng năng lượng mặt trời.
Nhóm nghiên cứu đã giới thiệu các cấu trúc DNA để cải thiện hiệu suất bay hơi của nền tảng và tạo điều kiện thuận lợi cho hydrogel có các đặc tính tách ion kim loại cụ thể để chiết ion kim loại dưới ánh sáng. Hydrogel DNA thông minh hứa hẹn sẽ thu được nước ngọt và chiết xuất uranyl từ nước biển cũng như xử lý nước thải hạt nhân làm giàu uranyl.
