Водный комбайн позволит утолить жажду даже в пустыне

Аркадий Курамшин
Аркадий Курамшин

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли вплотную приблизились к созданию компактного комбайна для сбора воды, который в состоянии добыть необходимое для поддержания жизни количество жидкости прямо из воздуха — даже из горячего и сухого воздуха пустыни [1].

Ни для кого не секрет, что доступ к воде важен для сохранения здоровья и жизни, производства продовольствия и ведения экономической деятельности. Тем не менее в настоящее время доступа к чистой воде лишены 783 млн жителей планеты, а по оценкам экспертов, к 2050 году загрязнение рек и озер наряду с истощением подземных водных резервуаров может привести к тому, что дефицит воды коснется половины населения Земли [2].

В связи с этими обстоятельствами очевидно, что необходима разработка способов получения чистой воды из альтернативных источников. Особенно такие технологии важны для засушливых пустынных и полупустынных регионов — мест, где вода нужна больше всего. Перспективно получение питьевой воды из воздуха — поскольку пары́ воды присутствуют в атмосфере нашей планеты, такую технологию теоретически можно использовать где угодно, да и сложно представить, что такой подход к получению воды может привести к образованию большого количества отходов. Уже разработаны методы извлечения жидкой воды в областях с холодным и влажным климатом — там жидкую воду можно получить, охлаждая воздух ниже его точки росы, но этот подход будет требовать огромных затрат энергии на охлаждение жаркого сухого воздуха, а значит, окажется крайне неэффективным в пустыне и полупустыне [3], и для добычи воды в пустыне нужны другие технические решения.

Разработанный в группе Омара Ягхи комбайн для сбора воды
Разработанный в группе Омара Ягхи комбайн для сбора воды

Одно из таких решений предлагает профессор Калифорнийского университета Омар Ягхи, который вместе с коллегами сконструировал комбайн для сбора воды, способный извлекать даже из воздуха с низкой влажностью до 1,3 л жидкости на каждый килограмм водопоглощающего материала — пористого трехмерного металлосодержащего полимера, относящегося к классу металлоорганических каркасных структур (metal-organic framework, MOF). Во время трехдневных полевых испытаний в американской пустыне Мохаве устройство ежедневно добывало из воздуха пустыни 0,7 л воды на килограмм адсорбента. Это около трех стаканов чистой H2O, что в десять раз выше производительности предыдущей версии водного комбайна. Комбайн может собирать воду непрерывно: в светлое время суток он получает энергию от солнечных батарей, в темное — от аккумулятора, который успевает зарядиться. Даже при влажности воздуха в 7% и температурах выше 30 °C комбайн может «выжать» из воздуха 200 мл воды на килограмм металлоорганической каркасной структуры.

Организованный Ягхи стартап, Water Harvester Inc., надеется теперь вывести на рынок устройство, не превышающее размера микроволновки и способное ежедневно получать из воздуха 7−10 л воды. Этого количества достаточно для питья и приготовления пищи трем взрослым людям — ведь согласно рекомендациям Национальной академии наук США суточная норма потребления жидкости (с учетом питья и пищи) составляет 3,7 л для мужчин и 2,7 л для женщин. В ближайших планах — разработка большей по размеру версии комбайна (размером с холодильник) производительностью 200−250 л в сутки, но и это не предел. Ягхи считает, что возможно построить комбайн, который будет добывать из воздуха 20 тыс. л воды в сутки, тем самым обеспечивая потребности небольшой деревни. Все водные комбайны, и уже существующие «в железе», и пока еще проектируемые, смогут работать от солнечных батарей, аккумуляторов или электросети.

Ключевой ингредиент, который позволил Ягхи создать устройство для сбора воды из воздуха, — разработанная его группой разновидность металлоорганической каркасной структуры. Этот координационный полимер легко поглощает содержащиеся в воздухе пары́ воды и быстро высвобождает собранную жидкую воду. Омар Ягхи давно и плодотворно работает над созданием новых каркасных функциональных металлоорганических систем. Он и его коллеги уже разработали материалы, способные улавливать диоксид углерода, содержащийся в топочных газах, разделять продукты нефтепереработки или служить катализаторами химических процессов.

Первая водопоглощающая металлоорганическая структура была получена в группе Ягхи в 2014 году. В узлах пористой структуры материала, получившего обозначение MOF-801, содержались ионы циркония. При комнатной температуре молекулы воды из атмосферы адсорбировались внутренней поверхностью материала, в результате чего росла влажность внутри пор до точки, при которой вода может конденсироваться уже при комнатной температуре (подобно тому, как вода при высокой влажности конденсируется на охлажденных поверхностях), и материал насыщается. Легкий нагрев металлоорганической каркасной структуры способствует десорбции воды, она покидает пористый материал, и ее можно сконденсировать. Первый прибор для сбора воды из воздуха с помощью MOF-801, который, скорее, можно было назвать лишь проверкой концепции, был анонсирован в 2017 году. Устройство работало по принципу пассивного действия и использовало солнечную энергию — собирало воду ночью, а на следующий день солнечное тепло десорбировало воду, накопленную в MOF-801; выделяющиеся пары воды конденсировались на внутренней поверхности контейнера, и он наполнялся.

В 2018 году исследователи из группы Ягхи испытали водный комбайн второго поколения. В этом устройстве опять использовался материал MOF-801, и на килограмм адсорбирующего материала оно смогло собрать 70 мл воды за ночь работы в пустыне. Комбайн второго поколения опять был пассивным — для извлечения воды из адсорбирующего материала устройство нагревали, просто помещая на солнечный свет. Как отмечает Ягхи, несмотря на небольшое количество собранной воды, эксперимент показал, что можно сконцентрировать воду сухого пустынного воздуха в порах металлоорганического каркаса, десорбировать ее в результате умеренного нагревания, а затем конденсировать пары воды опять же в нормальных условиях.

Третий водный комбайн, испытанный в этом году, увеличил производительность по сравнению с предшественником в десять раз. Увеличить производительность устройства удалось, заменив материал MOF-801 на металлоорганический каркас MOF-303, в структуре которого используется уже не цирконий, а алюминий (кстати, это может и понизить цену материала — алюминий много дешевле циркония). В отличие от MOF-801, алюминийсодержащий MOF-303 не только поглощает больше воды на единицу массы, но и делает это быстрее. Последнее обстоятельство позволяет в течение суток осуществить больше циклов работы устройства, «отвязав» его от ночной стадии адсорбции воды и дневной стадии десорбции и конденсации.

Представленная в 2019 году модель комбайна для сбора воды уже не является пассивной — получающие энергию от солнечных батарей или аккумуляторов вентиляторы продувают воздух через картридж с металлоорганическим каркасным материалом MOF-303. Продувка и схема размещения адсорбента позволяют увеличить время и площадь контакта воздуха с поглотителем воды. В картридже, в котором расположен MOF-303, предусмотрены две системы каналов — одна для подачи воздуха, другая — для отвода адсорбированной воды, значит, можно уже не разделять работу прибора на стадии адсорбции и десорбции, что позволит ему работать непрерывно.

Сейчас Ягхи — гражданин США, но его историческая родина — засушливое королевство Иордания, ему знакома жизнь в условиях ограниченного доступа к воде, возможно, именно этим и обусловлен его интерес к технологиям извлечения воды из сухого воздуха. По словам Ягхи, вопросы о том, когда же его водные комбайны поступят в продажу, приходят к нему на электронную почту каждый день — от частных лиц, фирм и государственных органов. Естественно, наибольший интерес работы Омара Ягхи вызывают в странах Ближнего Востока, Африки, Южной Америки и Австралии. Многие надеются, что сбор воды из атмосферы превратит безжизненные пустыни в цветущие оазисы.

Аркадий Курамшин,
канд. хим. наук

  1. Omar M. Yaghi et al. Rapid Cycling and Exceptional Yield in a Metal-Organic Framework Water Harvester // ACS Central Science, 2019; DOI: 10.1021/acscentsci.9b00745
  2. Richey A. S. et al. Quantifying Renewable Groundwater Stress with GRACE // Water Resour. Res. 2015, 51 (7), 5217−5238; DOI: 10.1002/2015WR017349
  3. Bagheri F. Performance Investigation of Atmospheric Water Harvesting Systems // Water Resour. Ind. 2018, 20, 23−28; DOI: 10.1016/j.wri.2018.08.001

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (2 оценок, среднее: 4,50 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: