Vandhøster gør det nemt at slukke tørsten i ørkenen

I 2017 Kemikere fra UC Berkeley demonstrerede, at et nyt MOF-design hurtigt kunne adsorbere vand fra selv tør luft, tillader det at blive kondenseret og opsamlet til at drikke. En andengenerations MOF kan nu cykle gennem adsorption og desorption på 20 minutter, tillader kontinuerlig indsamling af mere end en liter om dagen per kilogram MOF ved brug af solenergi. Den nye MOF er grundlaget for et planlagt apparat i mikrobølgestørrelse, der leverer 7-10 liter pr.

Med vandknaphed et voksende problem på verdensplan, University of California, Berkeley, forskere er tæt på at producere en vandopsamlingsmaskine i mikrobølgestørrelse, der vil give dig mulighed for at trække alt det vand, du har brug for, direkte fra luften – selv i den varme, tør ørken.

I en avis, der udkommer i denne uge ACS Central Science , et tidsskrift fra American Chemical Society, UC Berkeleys Omar Yaghi og hans kolleger beskriver den seneste version af deres vandopsamlingsmaskine, som kan trække mere end fem kopper vand (1,3 liter) fra luft med lav luftfugtighed om dagen for hvert kilo (2,2 pund) vandabsorberende materiale, et meget porøst stof kaldet en metal-organisk ramme, eller MOF. Det er mere end det minimum, der kræves for at holde sig i live.

Under felttest over tre dage i Californiens tørre Mojave-ørken, mejetærskeren producerede pålideligt 0,7 liter pr. kg absorber pr. dag - næsten tre kopper rent, ren H ₂ O. Det er 10 gange bedre end den tidligere version af mejetærskeren. Mejetærskeren kører 24/7, drevet af solpaneler og et batteri.

Selv på den tørreste dag i ørkenen, med en ekstrem lav relativ luftfugtighed på 7 % og temperaturer over 80 grader Fahrenheit, høsteren producerede seks ounces (0,2 liter) vand pr. kg MOF pr. dag.

"Det er velkendt, at for at kondensere vand fra luft ved en lav luftfugtighed - mindre end 40 procent relativ luftfugtighed - skal du køle luften ned til under frysepunktet, til nul grader celsius, hvilket er upraktisk. Med vores mejetærsker, vi gør dette ved meget lav luftfugtighed uden sådan afkøling; der er intet andet materiale, der kan gøre det, " sagde Yaghi, en UC Berkeley professor i kemi og meddirektør for Kavli Energy NanoSciences Institute. "Dette er ikke som en affugter, som arbejder ved høj relativ luftfugtighed. Nogle siger, at 0,7 liter ikke er meget vand. Men det er meget vand, hvis du ikke har vand."

Yaghis opstart, Water Harvester Inc., tester nu og vil snart markedsføre en enhed på størrelse med en mikrobølgeovn, der kan levere 7 til 10 liter vand om dagen:nok drikke- og kogevand til to til tre voksne om dagen, baseret på anbefalinger fra National Academy of Sciences om, at mænd bør indtage 3,7 liter og kvinder 2,7 liter væske om dagen.

En endnu større version af mejetærskeren, et på størrelse med et lille køleskab, vil give 200 til 250 liter vand om dagen, nok til at en husstand kan drikke, lave mad og gå i bad. Og om et par år, virksomheden håber at have en mejetærsker i landsbyskala, der vil producere 20, 000 liter om dagen. Alle ville køre på strøm fra solpaneler og et batteri eller fra elnettet.

"Vi laver ultrarent vand, som potentielt kan gøres bredt tilgængelig uden tilslutning til vandnettet, " sagde Yaghi, James og Neeltje Tretter-stolen i Kemikollegiet. "Denne vandmobilitet er ikke kun kritisk for dem, der lider af vandstress, men muliggør også det større mål - at vand skal være en menneskeret."

Nøglen:meget porøse MOF'er

Høstmaskinens hemmelige ingrediens er en type MOF opfundet af Yaghi og hans UC Berkeley-kolleger, der nemt og hurtigt optager vand fra luften og lige så let opsuger det, så vandet kan opsamles. MOF'er, som Yaghi har udviklet siden midten af ​​1990'erne, er så porøse, at et gram har et overfladeareal svarende til en fodboldbane. Andre typer MOF'er opfanger kuldioxid fra røggasser, catalyze chemical reactions or separate petrochemicals in processing plants.

The researchers came up with their first water-absorbing MOF, called MOF-801, in 2014. Water molecules in ambient air stick to the internal surface—a process called adsorption—and increase the humidity inside the MOF to a point where the water condenses even at room temperature, just as water condenses on cooler surfaces when the humidity is high. When the MOF is heated slightly, the water comes back out and can be condensed and collected.

The first harvester employing MOF-801 premiered in 2017 and was totally passive and solar powered:It sat and adsorbed water at night and gave it up the next day in the heat of the sun, with the water vapor condensing on the inside surface of the container.

By 2018, Yaghi's Berkeley team had turned that proof-of-concept device into a second-generation harvester that collected 0.07 liters—a little over 2 ounces—of water per day per kilogram of MOF during one day-night cycle in the Arizona desert, again using heat from the sun to drive the water out of the MOF.

"Although the amount of water was low, the experiment showed how water from desert air can be concentrated into the pores of the MOF, removed by mild heating with sunlight and then condensed at ambient conditions, " Yaghi said.

The 2019 model is no longer passive:It uses solar panels to power fans blowing ambient air over MOF contained within a cartridge, so that more of the MOF is exposed to air. The MOF-filled cartridge, about 10 inches square and 5 inches thick, is intersected by two sets of channels:one set for adsorbing water, the other for expelling it to the condenser, allowing continuous cycling throughout the day. The solar panels, attached to batteries so that the harvester can run at night, also power small heaters that drive the water out of the MOF.

The productivity of this new water harvester is 10 times the amount harvested by the previous device and 100 times higher than the early proof-of-concept device. No traces of metal or organics have been found in the water.

The improved productivity and shorter cycling time of the new device comes from a newly designed MOF, MOF-303, that is based on aluminum, as opposed to MOF-801, which is based on zirconium. MOF-303 can hold 30% more water than MOF-801 and can adsorb and desorb water in a mere 20 minutes under ideal conditions—something Yaghi's startup is close to achieving.

"MOF-303 does two things very well:It takes up much more water than the zirconium MOF we reported on before, and it does it much faster, " Yaghi said. "This allows water to go in and out much faster; you can pump air in and harvest the water over many cycles per day."

Yaghi gets inquiries about his harvester nearly every day from people, agencies and countries around the world, many in arid regions of the Middle East, Afrika, South America, Mexico, Australia and around the Mediterranean. The bulk of the funding for improvements to the harvester comes from Saudi Arabia's King Abdulaziz City for Science and Technology, as part of a joint KACST-UC Berkeley collaboration called the Center of Excellence for Nanomaterials and Clean Energy Applications. Desert kingdoms chronically short on water appreciate the harvester's potential, said Yaghi, who comes from another arid country, Jordan.

"The atmosphere has almost as much water at any one time as all the rivers and lakes, " he said. "Harvesting this water could help turn dry deserts into oases."