Enheden trækker vand fra tør luft, kun drevet af solen

Forestil dig en fremtid, hvor ethvert hjem har et apparat, der trækker alt det vand, som husstanden har brug for, ud af luften, selv i tørt eller ørkenklima, kun ved at bruge solens kraft.

Den fremtid kan være rundt om hjørnet, med demonstrationen i denne uge af en vandopsamlingsmaskine, der kun bruger omgivende sollys til at trække liter vand ud af luften hver dag under forhold så lavt som 20 procent luftfugtighed, et niveau almindeligt i tørre områder.

Den solcelledrevne mejetærsker, rapporteret i journalen Videnskab , blev bygget på Massachusetts Institute of Technology ved hjælp af et specielt materiale - en metal-organisk ramme, eller MOF - produceret ved University of California, Berkeley.

"Dette er et stort gennembrud i den langvarige udfordring med at høste vand fra luften ved lav luftfugtighed, " sagde Omar Yaghi, en af ​​to ledende forfattere af papiret, som har James og Neeltje Tretter-stolen i kemi ved UC Berkeley og er fakultetsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory. "Der er ingen anden måde at gøre det på lige nu, undtagen ved at bruge ekstra energi. Din elektriske affugter derhjemme 'producerer' meget dyrt vand."

Prototypen, under forhold med 20-30 procent luftfugtighed, var i stand til at trække 2,8 liter (3 liter) vand fra luften over en 12-timers periode, ved at bruge et kilo (2,2 pund) MOF. Rooftop-tests på MIT bekræftede, at enheden fungerer under virkelige forhold.

"En vision for fremtiden er at have vand uden for nettet, hvor du har en enhed derhjemme, der kører på omgivende sol til at levere vand, der opfylder en husstands behov, " sagde Yaghi, som er den stiftende direktør for Berkeley Global Science Institute, en meddirektør for Kavli Energy NanoSciences Institute og California Research Alliance af BASF. "Til mig, det vil blive gjort muligt på grund af dette eksperiment. Jeg kalder det personligt vand."

Yaghi opfandt metal-organiske rammer for mere end 20 år siden, at kombinere metaller som magnesium eller aluminium med organiske molekyler i et tinker-legetøjsarrangement for at skabe stiv, porøse strukturer ideelle til opbevaring af gasser og væsker. Siden da, mere end 20, 000 forskellige MOF'er er blevet skabt af forskere verden over. Nogle indeholder kemikalier som brint eller metan:Kemikalievirksomheden BASF tester en af ​​Yaghis MOF'er i naturgasdrevne lastbiler, da MOF-fyldte tanke rummer tre gange den metan, der kan pumpes under tryk i en tom tank.

Andre MOF'er er i stand til at fange kuldioxid fra røggasser, katalysere reaktionen af ​​adsorberede kemikalier eller adskille petrokemikalier i forarbejdningsanlæg.

I 2014, Yaghi og hans UC Berkeley -team syntetiserede en MOF - en kombination af zirconiummetal og adipinsyre - der binder vanddamp, og han foreslog Evelyn Wang, maskiningeniør på MIT, at de går sammen om at gøre MOF til et vandopsamlingssystem.

Systemet Wang og hendes elever designede bestod af mere end to pund MOF-krystaller i støvstørrelse komprimeret mellem en solfanger og en kondensatorplade, placeret inde i et kammer åbent til luften. Når luften diffunderer gennem den porøse MOF, vandmolekyler hæfter sig fortrinsvis til de indre overflader. Røntgendiffraktionsundersøgelser har vist, at vanddampmolekylerne ofte samles i grupper på otte for at danne terninger.

Sollys, der kommer ind gennem et vindue, opvarmer MOF'en og driver det bundne vand mod kondensatoren, som er ved udeluftens temperatur. Dampen kondenserer som flydende vand og drypper ned i en opsamler.

"Dette arbejde tilbyder en ny måde at høste vand fra luft, der ikke kræver høj relativ luftfugtighed og er meget mere energieffektiv end andre eksisterende teknologier, "Sagde Wang.

Denne proof of concept mejetærsker giver meget plads til forbedringer, Sagde Yaghi. Den nuværende MOF kan kun absorbere 20 procent af sin vægt i vand, men andre MOF-materialer kunne muligvis absorbere 40 procent eller mere. Materialet kan også tilpasses til at være mere effektivt ved højere eller lavere luftfugtighedsniveauer.

"Det er ikke kun, at vi har lavet en passiv enhed, der sidder der og samler vand; vi har nu lagt både det eksperimentelle og teoretiske grundlag, så vi kan screene andre MOF'er, der kunne laves tusindvis af, at finde endnu bedre materialer, " sagde han. "Der er et stort potentiale for at opskalere mængden af ​​vand, der bliver høstet. Det er bare et spørgsmål om yderligere ingeniørarbejde nu."

Yaghi og hans team er i gang med at forbedre deres MOF'er, mens Wang fortsætter med at forbedre høstsystemet for at producere mere vand.

"At have vand løbende, du kunne designe et system, der absorberer fugten om natten og udvikler den i løbet af dagen, " sagde han. "Eller designe solfangeren til at tillade dette i en meget hurtigere hastighed, hvor der skubbes mere luft ind. Vi ønskede at demonstrere, at hvis man bliver afskåret et sted i ørkenen, du kunne overleve på grund af denne enhed. En person har brug for omkring en cola-dåse vand om dagen. Det er noget, man kunne indsamle på mindre end en time med dette system."