Vattenskördare byggd vid MIT med MOF från UC Berkeley. Använder endast solljus, skördaren kan dra liter vatten från luft med låg luftfuktighet under en 12-timmarsperiod. Kredit:MIT / laboratory of Evelyn Wang.
Föreställ dig en framtid där varje hem har en apparat som drar allt vatten som hushållet behöver ur luften, även i torrt eller ökenklimat, använder bara solens kraft.
Den framtiden kan vara runt hörnet, med demonstrationen denna vecka av en vattenupptagare som endast använder omgivande solljus för att dra ut liter vatten ur luften varje dag under förhållanden så låg som 20 procents luftfuktighet, en nivå som är vanlig i torra områden.
Den soldrivna skördaren, redovisas i tidskriften Vetenskap , konstruerades vid Massachusetts Institute of Technology med ett speciellt material - en metall-organisk ram, eller MOF - producerad vid University of California, Berkeley.
"Detta är ett stort genombrott i den långvariga utmaningen att skörda vatten från luften vid låg luftfuktighet, "sa Omar Yaghi, en av två seniora författare av tidningen, som innehar James och Neeltje Tretter-stolen i kemi vid UC Berkeley och är en fakultetsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory. "Det finns inget annat sätt att göra det just nu, förutom genom att använda extra energi. Din elektriska avfuktare hemma "producerar" väldigt dyrt vatten."
Prototypen, under förhållanden med 20-30 procent luftfuktighet, kunde dra 2,8 liter (3 liter) vatten från luften under en 12-timmarsperiod, med ett kilo (2,2 pund) MOF. Taktester vid MIT bekräftade att enheten fungerar i verkliga förhållanden.
"En vision för framtiden är att ha vatten utanför nätet, där du har en enhet hemma som körs på omgivande solenergi för att leverera vatten som tillfredsställer ett hushålls behov, sa Yaghi, som är grundare av Berkeley Global Science Institute, en meddirektör för Kavli Energy NanoSciences Institute och California Research Alliance av BASF. "Till mig, som kommer att bli möjlig på grund av detta experiment. Jag kallar det personligt vatten."
Yaghi uppfann metallorganiska ramverk för mer än 20 år sedan, kombinera metaller som magnesium eller aluminium med organiska molekyler i ett pyssel-leksaksarrangemang för att skapa styva, porösa strukturer idealiska för lagring av gaser och vätskor. Sedan dess, mer än 20, 000 olika MOF har skapats av forskare över hela världen. Vissa innehåller kemikalier som väte eller metan:kemiföretaget BASF testar en av Yaghis MOF i naturgasdrivna lastbilar, eftersom MOF-fyllda tankar rymmer tre gånger den metan som kan pumpas under tryck till en tom tank.
Andra MOF:er kan fånga upp koldioxid från rökgaser, katalysera reaktionen av adsorberade kemikalier eller separera petrokemikalier i bearbetningsanläggningar.
Under 2014, Yaghi och hans UC Berkeley-team syntetiserade en MOF - en kombination av zirkoniummetall och adipinsyra - som binder vattenånga, och han föreslog Evelyn Wang, en maskiningenjör vid MIT, att de går samman för att förvandla MOF till ett vattenuppsamlingssystem.
En schematisk bild av ett metallorganiskt ramverk. Linjerna i modellerna är organiska länkar, och korsningarna är multimetalliska enheter. Dessa är byggstenar som Omar Yaghi syr ihop till kristallina svampar med hjälp av ny retikulär kemi. De gula bollarna representerar de porösa utrymmena som kan fyllas med vatten. Bakgrundsbilden visar de många kristallerna av MOF som är kombinerade i vattenupptagaren. Kredit:UC Berkeley och Berkeley Lab
Systemet Wang och hennes elever designade bestod av mer än två pund av dammstora MOF-kristaller komprimerade mellan en solabsorbator och en kondensatorplatta, placeras i en kammare öppen mot luften. När omgivande luft diffunderar genom den porösa MOF, vattenmolekyler fäster företrädesvis vid de inre ytorna. Röntgendiffraktionsstudier har visat att vattenångmolekylerna ofta samlas i grupper om åtta för att bilda kuber.
Solljus som kommer in genom ett fönster värmer upp MOF och driver det bundna vattnet mot kondensorn, som ligger vid temperaturen i uteluften. Ångan kondenseras som flytande vatten och droppar ner i en uppsamlare.
"Detta arbete erbjuder ett nytt sätt att skörda vatten från luft som inte kräver höga relativa luftfuktighetsförhållanden och som är mycket mer energieffektiv än andra befintliga teknologier, " sa Wang.
Denna proof of concept skördare lämnar mycket utrymme för förbättringar, sa Yaghi. Den nuvarande MOF kan bara absorbera 20 procent av sin vikt i vatten, men andra MOF -material kan möjligen absorbera 40 procent eller mer. Materialet kan också justeras för att vara mer effektivt vid högre eller lägre luftfuktighet.
"Det är inte bara det att vi gjorde en passiv enhet som sitter där och samlar vatten, vi har nu lagt både den experimentella och teoretiska grunden så att vi kan screena andra MOF:er, tusentals som skulle kunna göras, för att hitta ännu bättre material, ", sade han. "Det finns mycket potential för att skala upp mängden vatten som skördas. Det är bara en fråga om ytterligare ingenjörskonst nu."
Yaghi och hans team arbetar med att förbättra sina MOF:er, medan Wang fortsätter att förbättra skördesystemet för att producera mer vatten.
"Att ha vatten rinnande hela tiden, du kan designa ett system som absorberar fukten under natten och utvecklar den under dagen, "sa han." Eller utforma solfångaren för att möjliggöra detta i mycket snabbare takt, där mer luft trycks in. Vi ville visa att om du blir avskuren någonstans i öknen, du kan överleva på grund av den här enheten. En person behöver ungefär en colaburk vatten per dag. Det är något man kan samla in på mindre än en timme med det här systemet."
