Al desalinizar agua de mar con instalaciones de energía solar se pueden obtener minerales y agua dulce para el desarrollo sostenible de la civilización humana.Por ejemplo, los hidrogeles han demostrado un gran potencial para la evaporación del agua con energía solar, aunque el método de extracción de objetivos específicos y altamente eficiente aún debe ampliarse.
En un informe recientepublicadoenAvances científicos, Hanxue Liang y un equipo de investigadores de la facultad de química, yciencias de los materialesen China, describa el proceso de alta eficienciaagua de mardesalinización y extracción específica de uranio conhidrogeles de ADN inteligentes.
Los hidrogeles de ADN promovieron la evaporación del agua, y el hidrogel de ADN específico de uranilo exhibió una alta capacidad de captura de 5,7 mg por gramo de uranio del agua de mar natural debido al rápido transporte de iones impulsado por la evaporación interfacial impulsada por energía solar y la alta selectividad.Estos desarrollos podrían permitir dispositivos fáciles de usar adecuados para el futuro tratamiento del agua de mar.
Desalinización de agua de mar
La sociedad humana puede desarrollarse de manera sostenible mediante el acceso asuficiente agua dulce y energía.Las últimas décadas han sido testigos de la creciente escasez de agua dulce como una amenaza parasociedad en desarrollo, donde el rápido crecimiento demográfico y económico también ha planteado desafíos al desarrollo sostenible.
Para facilitar el acceso al agua dulce, los científicos biológicos han utilizado los recursos oceánicos, como la desalinización del agua de mar, que representan hasta el 97% del contenido total de agua de la Tierra.
Los investigadores han desarrollado la desalinización de agua de mar con energía solar como un método prometedor para producir agua de mar sinconsumo de energía adicional.Además de la desalinización del agua de mar, se pueden extraer simultáneamente una variedad de valiosos minerales y recursos ricos en el océano, incluidosuranioylitio.
Los hidrogeles son materiales blandos hechos de redes de polímeros reticulados 3D hidrofóbicos con altas cantidades de agua, con una naturaleza suave, versatilidad yexcelente biocompatibilidad.
Evaporación de agua
Los biomateriales a base de hidrogel tienen una tasa de evaporación de agua ultraalta.En este trabajo, Liang y su equipo crearon un sistema de evaporación con energía solar basado en hidrogel de ADN para producir agua dulce y apuntar a la extracción de iones metálicos del agua de mar natural.Los científicos sintetizaron hidrogeles de ADN hechos de redes funcionales de poliacrilamida unidas a ADN mediante un proceso de copolimerización de un solo paso.
Los investigadores presentaronóxido de grafeno(GO) en el hidrogel para crear hidrogeles de ADN cargados con GO que se reciclaban fácilmente mediante un método de elución simple impulsado térmicamente para probar la viabilidad de producir agua dulce y extraer valiosos iones metálicos del agua de mar natural.
Caracterización de los hidrogeles de ADN cargados con óxido de grafeno (GDH)
Liang y sus colegas prepararon hidrogeles de ADN cargados con óxido de grafeno en una reacción de copolimerización de un solo paso utilizando acrilamida, N,N'-metilenbisacrilamida,ADN modificado con acridita, con óxido de grafeno añadido antes de la polimerización.
Los investigadores aplicaron microscopía confocal para investigar las microestructuras de los materiales preparados.El equipo notó la mejora de las propiedades mecánicas del hidrogel de ADN al introducir óxido de grafeno.La adición del compuesto al hidrogel de ADN permitió propiedades de absorción de luz solar altamente eficientes.Los materiales mostraron banda ancha y un rango de longitud de onda de absorción altamente eficiente.
los experimentos
El equipo de investigación exploró la competencia de los biomateriales para una evaporación de agua altamente eficiente mediante energía solar.donde se formaron los materialesenlaces de hidrógenocon cadenas de polímeros hidrófilos para confinar moléculas de agua dentro de una construcción de hidrogel hidrófilo.
El proceso condujo a la formación de tres tipos de moléculas de agua, incluida el agua libre, el agua intermedia y el agua unida, donde el proceso requirió menos energía para que el agua intermedia escapara del hidrogel que para que el agua libre transitara desde la fase líquida a granel.
Los grupos hidrófilos en el material facilitaron la activación de las moléculas de agua y redujeron la energía de evaporación del agua al regular las estructuras de enlaces de hidrógeno de los encapsulados.moleculas de agua.Los investigadores utilizaron espectroscopía Raman para diferenciar variedades de estructuras de agua en agua pura y dentro del material de hidrogel.
Hidrogeles de ADN cargados con óxido de grafeno para extraer uranio
El uranio se distribuye en los océanos como elemento clave en los combustibles nucleares con magnitudes de abundancia en comparación con la tierra.La principal forma de uranio en el agua de mar esiones uranilo, con una concentración baja, donde los elementos coexisten con muchos iones que interfieren, incluidosvanadio.
ADNzimas oADN catalíticoque contiene oligonucleótidos cortos de ADN puede extraer iones de metales raros como los iones uranilo, debido a su alta afinidad yunión específica de iones metálicospropiedades.
Para facilitar el proceso, el equipo codificó las unidades de ADN que se incorporaron al hidrogel de óxido de grafeno con la secuencia de ADNzima selectiva de uranilo para extraer los iones de uranilo.Los experimentos de control mostraron cómo el hidrogel sin ADN tenía una capacidad de adsorción de uranio mucho menor.
El biomaterial también era capaz de tener selectividad por el uranio en presencia de iones de vanadio, y la incorporación de ADN proporcionó una clave para la selectividad con la adsorción de uranio.Los resultados describieron la amplia gama de actividad antibioincrustante del biomaterial para aplicaciones a largo plazo en la desalinización de agua de mar y durante la extracción de uranio.
Más experimentos y extracción de uranio del agua de mar natural.
Liang y su equipo realizaron simulaciones numéricas para comparar la migración de iones a través de la difusión y notaron la presencia de un gradiente de temperatura tras la iluminación.El gradiente de temperatura aumentó el transporte de iones para promover el proceso en toda la construcción de hidrogel.
Las unidades de ADN en el biomaterial extrajeron selectivamente diversos objetivos para establecer una ADNzima dependiente de iones de litio, así como la extracción de iones metálicos de sodio, potasio y magnesio con hidrogeles de ADN inteligentes.
Mientras que elóxido de grafenoEl biomaterial de hidrogel de ADN cargado mostró una excelente capacidad para la extracción de uranilo del agua de mar natural, la capacidad de extracción aumentó bajo iluminación solar en un proceso endotérmico.El rendimiento de extracción de uranio con el biomaterial fue tan competente como el obtenido con materiales de extracción avanzados.
Liang y su equipo probaron el rendimiento del biomaterial con agua de mar natural medianteespectroscopia de emisión óptica de plasma acoplado inductivamenteen elmar de bohai.Los resultados mostraron la capacidad de evaporar simultáneamente agua de manera ultrarrápida y altamente selectiva del agua de mar natural con el dispositivo integrado de biomaterial alimentado por energía solar.
Perspectiva
De esta manera, Hanxue Liang y su equipo inventaron un sistema de evaporación impulsado por energía solar basado en hidrogel de ADN para facilitar simultáneamente la desalinización de agua de mar a alta velocidad y la extracción altamente específica de minerales, incluidos uranio y litio.Las estructuras de red altamente hidrofílicas facilitaron la entalpía de evaporación del agua en el hidrogel para promover eficazmente la evaporación del agua de mar con energía solar.
El equipo introdujo estructuras de ADN para mejorar la eficiencia de evaporación de la plataforma y facilitó lahidrogelcon propiedades específicas de extracción de iones metálicos para la extracción de iones metálicos bajo iluminación.Los hidrogeles de ADN inteligentes son prometedores para la recolección de agua dulce y la extracción de uranilo del agua de mar, así como para el tratamiento de aguas residuales nucleares enriquecidas con uranilo.
Más información:Hanxue Liang et al, Desalinización simultánea de agua de mar altamente eficiente con energía solar y extracción de objetivos altamente específicos con hidrogeles de ADN inteligentes,Avances científicos(2023).DOI: 10.1126/sciadv.adj1677
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Citación:Los científicos crean un sistema de evaporación impulsado por energía solar basado en hidrogel de ADN para una desalinización de agua de mar altamente eficiente (8 de enero de 2024)recuperado el 8 de enero de 2024de https://techxplore.com/news/2024-01-scientists-dna-hidrogel-based-solar.html
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