Поглотитель воды из воздуха испытали в пустынном климате

Инженеры испытали в засушливых условиях штата Аризона устройство на основе металл-органического каркаса, которое может поглощать воду из воздуха, используя для этого только энергию солнечного света. Эксперименты показали, что установка может собирать 250 миллилитров воды на килограмм активного материала за сутки, сообщается в журнале Nature Communications.

Многие регионы мира страдают от постоянного недостатка питьевой воды или же сезонных засух. Из-за этого их жителям приходится завозить воду из других регионов или получать на месте, очищая воду с помощью дорогих и энергозатратных фильтрующих установок. В качестве альтернативы этому инженеры предлагают собирать воду из атмосферы, например, с помощью вымораживания воздуха. Но такие системы требуют большого уровня влажности воздуха или больших энергозатрат на поглощение воды из сухого воздуха.

В 2017 году инженеры из Массачусетского технологического института под руководством Эвелин Ванг (Evelyn Wang) создали устройство, которое может поглощать влагу из воздуха даже в засушливом климате и использовать в качестве единственного источника энергии тепло от солнца. Теперь они испытали устройство в климате, для которого оно и предназначено — в засушливой пустынной местности штата Аризона.

Поглотитель влаги устроен достаточно просто и в нем нет ни одной механической части. Он представляет собой камеру, в верхней части которого расположена адсорбирующая пластина. Это высокопористый лист меди, на внутренние структуры которой осажден металл-органический каркас MOF-801. Исследователи выбрали это соединение из-за его высокой способности к поглощению воды. Верхняя часть этой пористой пластины покрашена в черный цвет для максимально эффективного нагревания солнечными лучами. Для того, чтобы это тепло не рассеивалось, она накрыта слоем прозрачного теплоизолирующего аэрогеля, который пропускает солнечные лучи к пластине, но не пропускает тепло от нее. На нижней части камеры установлен конденсатор, тепло от которого отводится тепловыми трубками.

Устройство работает в течение одного цикла ночь-день, и его работа состоит из двух этапов. Вечером нужно открыть боковую стенку камеры и снять слой аэрогеля. За счет этого ночью воздух будет проходить через пористый поглотитель и насыщать его влагой. После этого камера закрывается и слой аэрогеля возвращается на место для дневного режима работы. На этом этапе солнце нагревает поглотитель, вода в котором испаряется и конденсируется на охлаждаемой нижней части камеры. После этого эту воду нужно собрать и использовать устройство для нового цикла сбора.

Стоит отметить, что в прототипе устройства содержалось всего около трех граммов поглощающего металл-органического каркаса. На основе полученных в ходе эксперимента данных авторы рассчитали, как будет работать более крупное устройство. В таких же условиях, как во время испытаний в Аризоне (относительная влажность около 30 процентов и ночная температура 15-25 градусов Цельсия) устройство должно вырабатывать 250 миллилитров воды на килограмм металл-органического каркаса за один цикл работы.

Также исследователи проверили безопасность поглощаемой воды. Они изучили образцы полученной воды на масс-спектрометре и нашли в них только ионы циркония, входящего в состав металл-органического каркаса, но их содержание было меньше, чем одна частица на миллиард.

Ранее китайские ученые создали на основе оксида графена устройство, которое также работает на солнечной энергии, но не для сбора воды из воздуха, а для опреснения морской воды. С его помощью они смогли снизить соленость такой воды до уровня ниже, чем стандарт, принятый для питьевой воды.

Григорий Копиев