Гидрогель с добавками хлорида лития поглотил воду из воздуха

Американские материаловеды разработали гидрогелевый сорбент для захвата воды из воздуха. Они взяли цвиттер-ионный полимер и добавили к нему гигроскопичный хлорид лития — в результате получился материал с самой высокой скоростью сорбции. За сутки килограмм сорбента может собрать почти шесть литров чистой воды. Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie.

Чтобы решить проблему нехватки чистой воды, ученые и инженеры постоянно разрабатывают новые технологии. Один из вариантов — сбор атмосферной влаги с помощью пористых материалов. Такие материалы могут захватывать воду даже из относительно сухого воздуха, а потом отдавать ее — например, под действием тепла.

Высокую эффективность демонстрируют сорбенты на основе гидрогелей – это гидрофильные, но нерастворимые в воде полимерные материалы с большим количеством кросс-связей. Гидрогели хорошо улавливают воду и сами по себе, а недавно ученые попробовали добавлять к таким материалам гигроскопичные соли, которые могут еще повышать количество адсорбированной воды. Однако, получить эффективный и стабильный сорбент на основе гидрогеля с добавками солей непросто – слишком большое количество солей может замедлять собственное набухание гидрогеля. Кроме того, из-за слабых взаимодействий между солью и полимером, соль может неравномерно распределяться внутри гидрогеля или вовсе вымываться из него.

Решить задачу сумели материаловеды из Техасского Университета в Остине под руководством Гуя Хуа Юя (Guihua Yu). За основу гидрогеля ученые взяли цвиттер-ионный полимер PDMAPS. Цепи этого полимера, оставаясь в целом нейтральными, имеют в своем составе положительно заряженные фрагменты четвертичных катионов аммония и отрицательно заряженные фрагменты сульфитов (см. рисунок). Чтобы получить гидрогель, к полимеру добавили кросс-линкер полиэтиленгликоль диакрилат (PEGDA), который скрепил соседние полимерные цепи между собой. Получилась ячеистая сеть, в которой положительно и отрицательно заряженные группы располагались в основном внутри ячеек, ориентируясь друг к другу.

В качестве гигроскопичной добавки ученые использовали хлорид лития LiCl — для этого уже готовый полимер замачивали в растворе соли.

Хлорид лития внутри ячеек также располагается внутри ячеек полимерной сети, при этом катионы лития координируются к анионам сульфита, а хлорид-анионы — к катионам аммония. Из-за этого объем каждой отдельной ячейки в полимерной сети становится больше. Инфракрасная спектроскопия и термогравиметрический анализ показали, что в координированном состоянии находится примерно пятая часть всего хлорида лития. Такая соль распределяются по гидрогелю равномерно и не вымывается из него во время сорбции и испарения воды.

Юй и его коллеги добавили в материал гигроскопичный хлорид лития, надеясь, что он поможет уловить из воздуха дополнительную воду. Так и вышло, но оказалось, что добавка к тому же ускоряет собственную сорбцию гидрогеля. В гидрогеле с хлоридом лития не только увеличивается внутренний объем ячеек полимерной сети (то есть пространство, которое можно будет заполнить водой) но и возрастает подвижность полимерных фрагментов. Это помогает молекулам воды быстрее продвигаться от поверхности в более глубокие слои, освобождая место на поверхности для сорбции новых молекул.

За два часа при относительной влажности воздуха 30 процентов (это значит, что парциальное давление паров воды составляет 30 процентов от давления насыщенного водяного пара при таких же условиях) каждый грамм материала смог собрать 0,62 грамма воды. Рравновесной загрузки удается достичь за 120 минут, а 80 процентов от равновесной загрузки — всего за 64 минуты. По скорости сорбции материал превосходит все известные полимерные сорбенты.

Для того чтобы извлечь собранную воду, достаточно нагреть материал до температуры 80 градусов Цельсия — за тридцать минут такого нагрева можно извлечь более 80 процентов сорбированной влаги.

Чтобы продемонстрировать возможности нового материала на практике, Юй и его коллеги собрали небольшую пилотную установку для сбора атмосферной воды. Она состояла из емкости с сорбентом, вентилятора, конденсатора и гибкого нагревательного элемента. Сорбируюшая способность материала в условиях такого эксперимента немного снизилась, но все еще осталась впечатляющей — 0,47 грамма на грамм сорбента (относительная влажность была такой же — 30 процентов). Чередуя 60-минутные циклы сбора и 30-минутные циклы нагревания, за сутки ученые сумели получить 5,87 литра чистой воды на килограмм сорбента.

Материалы на основе гидрогеля можно использовать не только для сбора атмосферной влаги. Например, в прошлом году ученые изготовили из гидрогеля надежную оболочку для бактериального сенсора на тяжелые металлы. Гидрогелевая оболочка пропускает небольшие молекулы и ионы металлов, но остается непроницаемой для бактерий и их генетического материала.

Наталия Самойлова