До 2 литров воды в день: немецкие исследователи представили материал, извлекающий воду из воздуха

Немецкие исследователи из Института неорганической химии Кильского университета представили новый пористый материал, способный поглощать из воздуха до 2 литров воды в день.

Это особенно актуально для регионов, которые в условиях изменения климата становятся всё более засушливыми. Материал получил название CAU-10-H и относится к соединениям, называемым металлоорганическими каркасами (МОК). Это пористые материалы, способные поглощать водяной пар и высвобождать её с минимальными усилиями.

За изучение ключевых принципов, лежащих в основе МОК, ведущий учёный Омар Яги получил Нобелевскую премию в прошлом году. Он уже воплотил эту концепцию в своей компании Atoco, которая занимается разработкой установок размером с морской контейнер, предназначенных для извлечения до 1000 литров воды в день из воздуха в условиях пустыни. Первые коммерческие системы должны появиться уже во второй половине этого года.

Разработанная немецкими исследователями конструкция использует другой подход, который, однако, может дополнить предложенную Яги технологию. По мнению разработчиков, их технология готова перейти со стадии лабораторных испытаний к коммерческому использованию.

Большинству материалов, улавливающих влагу, для эффективной работы необходим относительно влажный воздух. CAU-10-H начинает улавливать молекулы воды при комнатной температуре, как только относительная влажность превышает 18% — условия, которые для большинства систем подобного типа оказались бы слишком засушливыми.

Извлечение собранной воды также не представляет особой сложности. Достаточно нагреть материал примерно до 70 °C для высвобождения собранной влаги. Это довольно низкая температура, которая позволяет использовать, например, солнечную энергию или отработанное тепло, что значительно дешевле, чем использование электричества.

Немецкие исследователи объединили свой материал с проводящими углеродными структурами, ускорив цикл и добившись непрерывной работы с циклами, длящимися несколько часов. В условиях сухого воздуха материал поглощает до 0,17 грамма воды на грамм материала, что, по прогнозам, составляет 1,8 л воды в день на каждый килограмм композита.

Кроме того, CAU-10-H может применяться в качестве хладагента. В адсорбционных системах охлаждения он в три раза эффективнее силикагеля. Преимущество заключается в использовании отработанного тепла, выделяемого, например, ЦОД или печами. Он может использоваться для охлаждения помещений без увеличения нагрузки на энергосеть по сравнению с традиционными системами кондиционирования воздуха.

Представленные результаты позволяют отнести CAU-10-H к числу наиболее эффективных сорбентов с низкой влажностью и низкой теплоотдачей. Однако прямое сравнение затруднено. В Кильском университете количество сырья в лабораторных условиях указывается в граммах, тогда как по данным компании Atoco речь идет об объемах в литрах для специальных контейнеров, изготовленных с помощью установки с вентиляторами и теплообменниками.

Также отсутствует стандартизированный эталон для сравнения CAU-10-H с материалом, разработанным исследователями из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл, также анонсированным в этом месяце. Он высвобождает собранную воду за 3 минуты при температуре 50 °C. Его конструкция оптимизирована для быстрого высвобождения, а не для поглощения максимального количества воды за один цикл.

Однако ключевым все же является не столько сам химический принцип, сколько возможность масштабирования технологии для реального применения. По словам ведущего автора исследования Норберта Стока, CAU-10-H был открыт около 15 лет назад. С тех пор потенциальные сферы его применения изучаются по всему миру.

Благодаря поддержке фонда Кильского университета исследователи смогли произвести около 30 кг материала — примерно в 60 раз больше, чем любая предыдущая лабораторная партия материала, ориентировочная стоимость которой составляла от $12 до $14 за килограмм. На следующем этапе планируются реальные испытания. Если лабораторные показатели CAU-10-H подтвердятся, этот материал может стать ещё одной революцией в истории развития MOF.

Исследование опубликовано в журнале Journal of Materials Chemistry A

Источник: New Atlas; Kiel University