Комбайн для получения воды из воздуха даже в пустыне

Сбор воды из воздуха с помощью сорбента может быть привлекательным способом решения проблемы ее нехватки в засушливых климатических условиях

В статье в ACS Central Science исследователи представили последнюю версию своего харвестера, способного извлекать более пяти чашек воды (1,3 литра) из воздуха с низкой влажностью в день на каждый килограмм водопоглощающего материала - очень пористого вещества, называемого металлорганическим каркасом, или MOF.

Во время полевых испытаний, в течение трех дней в засушливой пустыне Мохаве, в Калифорнии, комбайн стабильно производил 0,7 литра на килограмм поглотителя в день - почти три чашки чистой, чистой H₂O. Этот показатель в 10 раз лучше, чем в предыдущей версии устройства. Комбайн работал круглосуточно за счет солнечных батарей и аккумулятора.

Даже в самый засушливый день, с чрезвычайно низкой относительной влажностью 7% и температурой выше 27 С°, комбайн производил 0,2 литра воды на килограмм MOF в день.

«Известно, что для конденсации воды из воздуха, при низкой относительной влажности - менее 40% - необходимо охладить воздух до нуля или ниже градусов Цельсия, что нецелесообразно. Этот харвестер делает это при очень низкой влажности, без такого охлаждения, с помощью специального материала», - говорит Омар Яги, профессор химии Института нанотехнологий Кавли Калифорнийского университета в Беркли.

«Он отличается от осушителя воздуха, который работает при высокой относительной влажности. Некоторые люди могут подумать, что 0,7 литра - это не много воды. Но что бы они сказали, если бы ее не было вообще».

Один стартап тестирует и в ближайшем будущем надеется вывести на рынок устройство размером с микроволновую печь, которое сможет поставлять от 7 до 10 литров воды в день: достаточное количество для питья и приготовления еды двум-трем взрослым людям. По некоторым нормам мужчины должны потреблять 3,7 литра, а женщины - 2,7 литра жидкости в день.

Еще более крупная версия харвестера, размером с небольшой холодильник, будет давать от 200 до 250 литров воды в день, чего достаточно для водоснабжения целого дома. Через пару лет компания надеется создать деревенский комбайн, который будет производить 20 000 литров в день. Все будет работать от солнечных батарей или электросети.

MOF, которые разрабатываются с середины 1990-х годов, настолько пористы, что один грамм эквивалентен по площади футбольному полю. Другие типы MOF улавливают углекислый газ из дыма, катализируют химические реакции или отделяют нефтехимические вещества на перерабатывающих заводах.

Исследователи придумали свой первый водопоглощающий MOF, названный MOF-801, еще в 2014 году. Молекулы воды в окружающем воздухе оседали на его внутренней поверхности - процесс, называемый адсорбцией, - и повышали влажность внутри MOF до точки, когда водяной пар начинал конденсироваться даже при комнатной температуре. Когда MOF слегка нагревался, вода испарялась и могла быть опять сконденсирована для сбора.

Новая модель комбайна для производства воды

Модель 2019 больше не является пассивной: она использует солнечные панели для питания вентиляторов, направляя потоки окружающего воздуха над MOF, находящегося внутри картриджа.

Заполненный MOF картридж пересекают две системы каналов: одна для адсорбции воды, другая для вытеснения ее в конденсатор, что позволяет осуществлять непрерывную циклическую работу в течение дня. Солнечные панели с аккумуляторами питают небольшие нагреватели, которые вытесняют воду из MOF.

Производительность этого нового харвестера в 10 раз выше, чем у предыдущего устройства, и в 100 раз выше, чем у концептуального прототипа. Исследователи не обнаружили никаких следов металла или органических веществ в полученной воде.

Улучшенная производительность и более короткое время цикла нового устройства обусловлены новой конструкцией MOF на основе алюминия, в отличие от предыдущего, который был основан на цирконии. Микропористый металлоорганический каркас может выполнять цикл адсорбции-десорбции в течение нескольких минут при умеренном колебании температуры, что открывает путь для высокопроизводительного сбора воды.

Источник: UC Berkeley