DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-43530-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41922461
تاريخ النشر: 2026-04-01
المؤلف: Magda K. El-Fakharany وآخرون
الموضوع الرئيسي: طرق تنقية المياه بالطاقة الشمسية
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تعزيز إنتاج المياه العذبة من خلال تحسين تصميمات المكثفات الشمسية الأنبوبية (TSS) عن طريق دمج المواد الحيوية المبتكرة. تم اختبار ثلاثة سيناريوهات: (1) طلاء لوحة الامتصاص بنقاط الكم الكربونية (CQDs) وجزيئات الجرافيت النانوية (GNPs)، (2) استخدام مواد مسامية طبيعية مثل الإسفنج واللوف، و(3) نهج هجين يجمع بين CQDs مع الإسفنج. تضمنت مقاييس الأداء إنتاجية المياه الساعية والتراكمية بالإضافة إلى الكفاءة الحرارية.
تشير النتائج إلى أن لوحة الامتصاص المطلية بـ CQD تفوقت بشكل كبير على الطلاء الأسود التقليدي، مما زاد من إنتاجية المياه العذبة التراكمية من 2.46 لتر/م² إلى 3.21 لتر/م² (تحسين بنسبة 30.49%) وزيادة الكفاءة الحرارية القصوى من 48.18% إلى 61.9%. من بين المواد الحيوية، أظهر الإسفنج أداءً متفوقًا على اللوف والطلاء الأسود، حيث حقق 3.02 لتر/م² وحقق كفاءة حرارية تبلغ 45.57%. حقق التكوين الهجين من CQDs والإسفنج أعلى إنتاجية تراكمية قدرها 3.66 لتر/م²، أي حوالي 37.6% أعلى من لوحة الامتصاص المطلية باللون الأسود، مع كفاءة حرارية قصوى تبلغ 57.28%. كما تحسنت إنتاجية المياه الفورية، حيث بلغت ذروتها عند 0.85 لتر/م²•ساعة للسطح الهجين مقارنة بـ 0.66 لتر/م²•ساعة للوحة الامتصاص المطلية باللون الأسود. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية استكشاف خلطات المواد النانوية الهجينة ودمج مواد تغيير الطور (PCM) لتعزيز الإنتاجية الليلية والمتانة على المدى الطويل.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم للمياه كمورد أساسي للحضارة الإنسانية، مشيرة إلى أن أكثر من 3.6 مليار شخص يعانون من نقص المياه سنويًا. يمثل الطلب المتزايد على المياه العذبة، المدفوع بنمو السكان والأنشطة الصناعية، تحديًا كبيرًا. تظهر الطاقة الشمسية كحل قابل للتطبيق لتحلية المياه، خاصة في المناطق التي تتمتع بأشعة الشمس الوفيرة، مثل الشرق الأوسط وشمال إفريقيا. تعتبر التقطير الشمسي، وهي طريقة فعالة من حيث التكلفة تستخدم أشعة الشمس لتحويل المياه إلى بخار ثم تكثيفها مرة أخرى إلى سائل، واعدة، حيث تحقق الأنظمة التقليدية حوالي 2.05 لتر/م²/يوم، بينما يمكن أن تعزز التصاميم المتقدمة الإنتاجية إلى 9.8 لتر/م²/يوم.
تناقش هذه الفقرة أيضًا تصميمات مختلفة من المكثفات الشمسية، بما في ذلك الأشكال المسطحة البسيطة والأهرامية المناسبة للتطبيقات الريفية والأشكال الكروية والأسطوانية الأكثر تعقيدًا التي تقدم كفاءة أعلى للاستخدام الصناعي. أدت التطورات الحديثة في المواد والتقنيات، مثل دمج المواد النانوية وأنظمة التخزين الحراري، إلى تحسين كبير في أداء المكثفات الشمسية الأنبوبية (TSS). على سبيل المثال، أدى استخدام الطلاءات السوداء الكربونية إلى زيادة الإنتاجية بنسبة تصل إلى 62.98%، بينما حققت تعديلات أخرى تحسينات في الكفاءة الحرارية وعائد المياه العذبة. كما تم الإشارة إلى إدخال أنظمة هجينة تجمع بين المواد الضوئية الحرارية مع الركائز المسامية المصممة كنهج واعد لتعزيز معدلات التبخر واستقرار التشغيل، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا تحلية المياه بالطاقة الشمسية.
طرق
تستكشف الدراسة تحسين الأداء لنظام الطاقة الشمسية الحرارية (TSS) باستخدام طلاءات مبتكرة من المواد الحيوية والمواد النانوية. تم اختبار ثلاثة سيناريوهات: (1) طلاء لوحة الامتصاص بنقاط الكم الكربونية (CQDs) وجزيئات الجرافيت النانوية (GNPs)، (2) استخدام مواد مسامية حيوية مثل الإسفنج واللوف، و(3) دمج CQDs مع الإسفنج. تم مقارنتها مع الطلاء الأسود التقليدي. تم تفصيل الخصائص الحرارية الفيزيائية لـ CQDs وGNPs، بما في ذلك الموصلية الحرارية والسعة الحرارية النوعية، في الجدول 1، مع تسليط الضوء على أدوارها في إدارة الحرارة.
تضمنت الإعدادات التجريبية أسطوانة شفافة من البولي كربونات مصممة لتحقيق شفافية حرارية مثلى، مع سطح يمتص الحرارة ومسار تكثيف. تم خلط المواد النانوية مع الطلاء الأسود بتركيز 5% بالوزن، تلاها عملية فوق صوتية وتطبيق عبر مسدس رش. أظهرت النتائج أن الطلاء الأسود مع GNPs حقق أعلى درجة حرارة متوسطة تبلغ 61.5 درجة مئوية، متفوقًا على CQDs، التي كانت لها درجة حرارة متوسطة تبلغ 59 درجة مئوية. كشفت تحليل الكفاءة الحرارية أن CQDs كانت لديها أعلى كفاءة بنسبة 61.9%، تليها GNPs بنسبة 58% والطلاء الأسود بنسبة 48.18%. يُعزى الأداء المتفوق لـ CQDs إلى هيكلها النانوي الدقيق، مما يعزز تحويل الطاقة الشمسية ويقلل من فقدان الحرارة. أدى دمج المواد الحيوية المسامية مع المواد النانوية إلى تحسين نقل الحرارة والكتلة، مما أدى إلى تعزيز معدلات التبخر والأداء العام، حيث أظهر السيناريو 3 أفضل كفاءة حرارية وإنتاجية تراكمية.
نتائج
في هذا القسم، يتم تقديم النتائج التجريبية التي تقيم أداء نظام التخزين الحراري (TSS). يركز التحليل على مواد مثل الإسفنج واللوف المعالجة بنقاط الكم الكربونية (CQDs) وجزيئات الجرافين النانوية (GNPs)، مع تقييم تأثيراتها على الكفاءة الحرارية وإنتاجية المياه ودرجات حرارة السطح. تم تنظيم النتائج في ثلاثة سيناريوهات متكاملة تسهل مقارنة شاملة بين الأنظمة التقليدية وتلك المعززة بالأسطح المسامية والمواد النانوية.
تؤكد المناقشة على الآثار الفيزيائية والعملية للنتائج، مع تسليط الضوء على كيفية مساهمة تعديلات التصميم ودمج المواد المبتكرة في تحسين الأداء. تؤكد الدراسة على الفوائد المحتملة لاستخدام المواد المتقدمة في تطبيقات TSS، مما يشير إلى تحسينات كبيرة في الكفاءة ومقاييس الإنتاجية.
مناقشة
في قسم المناقشة، تقيم الدراسة تقنيات القياس والشكوك المرتبطة بمختلف المعلمات في الإعداد التجريبي لمكثف شمسي أنبوبي (TSS). تم تسجيل درجات الحرارة المحيطة، وشدة الإشعاع الشمسي، وسرعة الرياح، وحجم المياه المحلاة بدقة باستخدام أدوات معايرة، مع اهتمام تفصيلي بشكوكها الخاصة. تم اشتقاق إجمالي الشك في القياسات باستخدام صيغة انتشار، مما يضمن تقييمًا قويًا للبيانات التجريبية.
تستكشف الدراسة أيضًا الكفاءة الحرارية وتحليل الإكسيجري عبر تكوينات مختلفة من الامتصاص، بما في ذلك الطلاءات من نقاط الكم الكربونية (CQDs)، والإسفنج، واللوف. تشير النتائج إلى أن الماصات المطلية بـ CQD تعزز الأداء الحراري بشكل كبير، محققة زيادة في إنتاجية المياه العذبة التراكمية بنسبة 30.49% مقارنة بالطلاء الأسود التقليدي. من بين المواد الطبيعية، أظهرت الإسفنج كفاءة حرارية متفوقة (45.57%) وإنتاجية (3.02 لتر/م²)، يُعزى ذلك إلى خصائص التبخر المدفوعة بالشعيرات. حقق التكوين الهجين من CQDs والإسفنج أعلى إنتاجية تراكمية (3.66 لتر/م²) وكفاءة حرارية (57.28%)، مما يبرز الفوائد التآزرية لدمج المواد النانوية مع الوسائط المسامية. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية استكشاف خلطات المواد النانوية الهجينة ودمج مواد تغيير الطور (PCMs) لتعزيز أداء النظام بشكل أكبر.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-43530-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41922461
Publication Date: 2026-04-01
Author(s): Magda K. El-Fakharany et al.
Primary Topic: Solar-Powered Water Purification Methods
Overview
This study investigates the enhancement of freshwater production through the optimization of tubular solar still (TSS) designs by incorporating innovative biomaterials. Three scenarios were tested: (1) coating the absorber plate with carbon quantum dots (CQDs) and graphite nanoparticles (GNPs), (2) using natural porous materials such as sponge and loofah, and (3) a hybrid approach combining CQDs with sponges. Performance metrics included hourly and cumulative water productivity as well as thermal efficiency.
The findings indicate that the CQD-coated absorber significantly outperformed conventional black paint, increasing cumulative freshwater productivity from 2.46 L/m² to 3.21 L/m² (a 30.49% improvement) and enhancing peak thermal efficiency from 48.18% to 61.9%. Among the bio-based materials, the sponge demonstrated superior performance over loofah and black paint, yielding 3.02 L/m² and achieving a thermal efficiency of 45.57%. The hybrid configuration of CQDs and sponge achieved the highest cumulative productivity of 3.66 L/m², approximately 37.6% higher than the black-painted absorber, with a peak thermal efficiency of 57.28%. Instantaneous water productivity also improved, peaking at 0.85 L/m²•h for the hybrid surface compared to 0.66 L/m²•h for the black-painted absorber. Future research directions include exploring hybrid nanomaterial blends and integrating phase change materials (PCM) to enhance nighttime productivity and long-term durability.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical role of water as a fundamental resource for human civilization, noting that over 3.6 billion people experience water shortages annually. The increasing demand for fresh water, driven by population growth and industrial activities, presents a significant challenge. Solar energy emerges as a viable solution for desalination, particularly in regions with abundant sunlight, such as the Middle East and North Africa. Solar distillation, a cost-effective method that utilizes sunlight to convert water into vapor and then condenses it back into liquid, shows promise, with conventional systems yielding approximately 2.05 L/m²/day, while advanced designs can enhance productivity to 9.8 L/m²/day.
The section further discusses various designs of solar stills, including simple flat and pyramidal shapes suited for rural applications and more complex spherical and cylindrical forms that offer higher efficiency for industrial use. Recent advancements in materials and technologies, such as the incorporation of nanomaterials and thermal storage systems, have significantly improved the performance of tubular solar stills (TSS). For instance, the use of carbon black coatings has led to productivity increases of up to 62.98%, while other modifications have achieved improvements in thermal efficiency and freshwater yield. The introduction of hybrid systems combining photothermal materials with engineered porous substrates is also noted as a promising approach to enhance evaporation rates and operational stability, marking a significant advancement in solar desalination technology.
Methods
The study investigates the performance enhancement of a thermal solar system (TSS) using innovative coatings of bio-materials and nanomaterials. Three scenarios were tested: (1) coating the absorber plate with carbon quantum dots (CQDs) and graphite nanoparticles (GNPs), (2) using bio-porous materials such as sponge and loofah, and (3) combining CQDs with sponges. These were compared against conventional black paint. The thermophysical properties of CQDs and GNPs, including thermal conductivity and specific heat capacity, were detailed in Table 1, highlighting their roles in thermal management.
The experimental setup involved a transparent polycarbonate cylinder designed for optimal thermal transparency, with a heat-absorbing surface and a condensation path. Nanomaterials were mixed with black paint at a concentration of 5% by weight, followed by ultrasonication and application via a spray gun. Results indicated that the black coating with GNPs achieved the highest average temperature of 61.5°C, outperforming the CQDs, which had an average temperature of 59°C. Thermal efficiency analysis revealed CQDs had the highest efficiency at 61.9%, followed by GNPs at 58% and black paint at 48.18%. The superior performance of CQDs is attributed to their fine nanostructure, enhancing solar energy conversion and reducing heat loss. The integration of porous biomaterials with nanomaterials improved heat-mass transport, leading to enhanced evaporation rates and overall performance, with Scenario 3 demonstrating the best thermal efficiency and cumulative productivity.
Results
In this section, the experimental results evaluating the performance of the Thermal Storage System (TSS) are presented. The analysis focuses on materials such as sponge and loofah treated with carbon quantum dots (CQDs) and graphene nanoplatelets (GNPs), assessing their effects on thermal efficiency, water productivity, and surface temperatures. The findings are organized into three integrated scenarios that facilitate a comprehensive comparison between conventional systems and those enhanced with porous surfaces and nanomaterials.
The discussion emphasizes the physical and practical implications of the results, highlighting how design modifications and the incorporation of innovative materials contribute to performance improvements. The study underscores the potential benefits of using advanced materials in TSS applications, suggesting significant enhancements in efficiency and productivity metrics.
Discussion
In the discussion section, the research evaluates the measurement techniques and uncertainties associated with various parameters in the experimental setup for a tubular solar still (TSS). Ambient temperatures, solar radiation intensity, wind speed, and desalinated water volume were meticulously recorded using calibrated instruments, with detailed attention to their respective uncertainties. The total uncertainty in measurements was derived using a propagation formula, ensuring a robust assessment of the experimental data.
The study further investigates thermal efficiency and exergy analysis across different absorber configurations, including coatings of carbon quantum dots (CQDs), sponges, and loofahs. Results indicate that the CQD-coated absorbers significantly enhance thermal performance, achieving a cumulative freshwater productivity increase of 30.49% compared to conventional black paint. Among the natural materials, sponges demonstrated superior thermal efficiency (45.57%) and productivity (3.02 L/m²), attributed to their capillary-driven evaporation properties. The hybrid configuration of CQDs and sponge yielded the highest cumulative productivity (3.66 L/m²) and thermal efficiency (57.28%), underscoring the synergistic benefits of combining nanomaterials with porous media. Future research directions include exploring hybrid nanomaterial blends and integrating phase change materials (PCMs) to further enhance system performance.