Den senaste versionen av UC Berkeleys vattenskördare blåser omgivande luft över en patron fylld med MOF, som syns inuti plexiglaslådan. MOF drar vatten från torr luft, som sedan avlägsnas från MOF genom mild uppvärmning. Den koncentrerade vattenångan blåses ut genom röret till höger till en kondensor. Denna process producerar vatten för att dricka endast med hjälp av solpaneler och ett batteri, även i områden så torra som Mojaveöknen. Kredit:Mathieu Prévot, UC Berkeley
Under 2017, Kemister från UC Berkeley visade att en ny MOF-design snabbt kunde adsorbera vatten från även torr luft, så att den kan kondenseras och samlas upp för att dricka. En andra generationens MOF kan nu gå igenom adsorption och desorption på 20 minuter, möjliggör kontinuerlig insamling av mer än en liter per dag per kilogram MOF med solenergi. Den nya MOF är grunden för en planerad mikrovågsapparat som levererar 7-10 liter per dag.
Med vattenbrist ett växande problem över hela världen, University of California, Berkeley, forskare är nära att producera en mikrovågsugnskördare som gör att du kan dra allt vatten du behöver direkt från luften-även i heta, torr öken.
I en tidning som kommer denna vecka i ACS Central Science , en tidskrift från American Chemical Society, UC Berkeleys Omar Yaghi och hans kollegor beskriver den senaste versionen av deras vattenupptagare, som kan dra mer än fem koppar vatten (1,3 liter) från luft med låg luftfuktighet per dag för varje kilo (2,2 pund) vattenabsorberande material, en mycket porös substans som kallas en metall-organisk ram, eller MOF. Det är mer än det minimum som krävs för att överleva.
Under fälttester under tre dagar i Kaliforniens torra Mojave-öken, skördaren producerade tillförlitligt 0,7 liter per kilo absorbent per dag – nästan tre koppar ren, ren H 2 O. Det är 10 gånger bättre än den tidigare versionen av skördaren. Skördaren cyklar 24/7, drivs av solpaneler och ett batteri.
Även den torraste dagen i öknen, med en extremt låg relativ luftfuktighet på 7 % och temperaturer över 80 grader Fahrenheit, skördaren producerade sex uns (0,2 liter) vatten per kilogram MOF per dag.
"Det är välkänt att för att kondensera vatten från luft vid låg luftfuktighet - mindre än 40 procent relativ fuktighet - måste du kyla ner luften till under fryspunkten, till noll grader Celsius, vilket är opraktiskt. Med vår skördare, vi gör detta vid mycket låg luftfuktighet utan sådan kylning; det finns inget annat material som kan göra det, sa Yaghi, en UC Berkeley professor i kemi och meddirektör för Kavli Energy NanoSciences Institute. "Det här är inte som en avfuktare, som arbetar vid hög relativ luftfuktighet. Vissa säger att 0,7 liter inte är mycket vatten. Men det är mycket vatten, om du inte har vatten."
Yaghis startup, Water Harvester Inc., testar nu och kommer snart att marknadsföra en apparat storleken på en mikrovågsugn som kan leverera 7 till 10 liter vatten per dag:tillräckligt med dricks- och matlagningsvatten för två till tre vuxna per dag, baserat på rekommendationer från National Academy of Sciences att män bör konsumera 3,7 liter och kvinnor 2,7 liter vätska per dag.
En ännu större version av skördaren, en storlek som ett litet kylskåp, kommer att ge 200 till 250 liter vatten per dag, tillräckligt för ett hushåll att dricka, laga mat och duscha. Och om ett par år, företaget hoppas ha en skördare i byskala som kommer att producera 20, 000 liter per dag. Alla skulle drivas på ström från solpaneler och ett batteri eller från elnätet.
"Vi gör ultrarent vatten, som potentiellt kan göras allmänt tillgängligt utan anslutning till vattennätet, sa Yaghi, James och Neeltje Tretter ordförande vid College of Chemistry. "Denna vattenrörlighet är inte bara avgörande för dem som lider av vattenstress, men möjliggör också det större målet - att vatten ska vara en mänsklig rättighet."
Nyckeln:mycket porösa MOF
Skördemaskinens hemliga ingrediens är en typ av MOF som uppfanns av Yaghi och hans UC Berkeley -kollegor som enkelt och snabbt tar upp vatten från luften och lika lätt urger det så att vattnet kan samlas upp. MOFs, som Yaghi har utvecklat sedan mitten av 1990-talet, är så porösa att ett gram har en yta som motsvarar en fotbollsplan. Andra typer av MOF fångar upp koldioxid från rökgaser, katalysera kemiska reaktioner eller separera petrokemikalier i bearbetningsanläggningar.
UC Berkeley graduate student Nikita Hanikel, Grant Glover of the University of South Alabama and UC Berkeley postdoc Mathieu Prévot display the water collected from the water harvester last fall in the Mojave Desert. Credit:Mathieu Prévot, UC Berkeley
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, Africa, South America, Mexiko, 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."
