Экологически адаптивное МФ

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4873 (2022) Цитировать эту статью

8910 Доступов

13 цитат

73 Альтметрика

Подробности о метриках

Сбор водяного пара из пустынной и засушливой среды с помощью устройств на основе металлоорганического каркаса (MOF) для доставки чистой жидкой воды критически зависит от окружающей среды и климатических условий. Однако устройства, о которых сообщается, еще не были разработаны для адаптации в режиме реального времени к таким условиям во время их работы, что серьезно ограничивает эффективность производства воды и неоправданно увеличивает энергопотребление. Здесь мы сообщаем и подробно описываем режим сбора воды, называемый «адаптивный сбор воды», благодаря которому доказано, что устройство на основе MOF способно адаптировать фазы адсорбции и десорбции цикла сбора воды к погодным колебаниям в течение определенного дня. неделю и месяц таким образом, чтобы эффективность производства воды постоянно оптимизировалась. В экспериментах по оценке производительности в пустыне с засушливым климатом (относительная влажность 17–32%) адаптивное устройство для сбора воды обеспечивает увеличение производства воды на 169% (3,5 LH2O кгMOF-1 в день) по сравнению с наиболее эффективным устройством, сообщается об активном устройстве (0,7–1,3 LH2O кгMOF-1 в день при относительной влажности 10–32%), более низком энергопотреблении (1,67–5,25 кВтч LH2O-1) и экономии времени, требуя почти на 1,5 цикла меньше, чем у активного аналога. устройство. Кроме того, добываемая вода соответствует национальным питьевым стандартам страны, потенциально использующей технологию.

К 2050 году шесть миллиардов человек столкнутся с отсутствием водной безопасности как прямое следствие изменения климата, неправильной охраны водных ресурсов, расширения практики орошаемого земледелия, увеличения экспорта водоемких товаров и роста населения1,2,3. При попытке справиться с глобальным водным кризисом традиционный подход заключался в том, чтобы соединить национальные запасы воды с потребностями водопользователей, не принимая во внимание общую потребность в воде1,4. Несмотря на то, что имеется достаточно пресной воды для ежегодного удовлетворения такого спроса на глобальном уровне, географические и временные колебания спроса и наличия воды велики, а это означает, что дефицит воды возникает и меняется в определенное время года1,4. Идеальным первым шагом было бы для стран, испытывающих дефицит воды, снизить зависимость от внешних водных ресурсов и разработать политику импорта водоемких товаров, которые в противном случае истощают запасы или не могут устойчиво производиться внутри страны1,5. Действительно, это было бы эффектно; в 1996–2005 годах почти одна пятая мирового водного следа предназначалась для экспорта, а не для внутреннего потребления5. Параллельно, во времена нехватки воды, необходимо искать и реализовывать альтернативные способы восстановления, создания, производства и/или доставки воды, которые включают системное сокращение недоходной воды, опреснение, очистку сточных вод и повторное использование, а также сбор урожая в разных формах6,7,8. Хотя все они в разной степени доказали свою эффективность в дополнении доставки воды для удовлетворения внутреннего спроса в различных экологических и климатических условиях, одна новая технология — сбор атмосферной воды на основе адсорбента — выделяется своим доказанным потенциалом в улавливании, сборе и конденсации воды. водяной пар в климатических условиях, где его концентрация низкая (т.е. пустыни, засушливые регионы)9,10,11. При сборе атмосферной воды с помощью адсорбентов преобладают металлоорганические каркасы (MOF), класс протяженных пористых кристаллических материалов, учитывая их идеальные водопоглощающие свойства и способность при соответствующей относительной влажности (ОВ), благоприятную кинетику и термодинамику физической сорбции, и гидролитическая стабильность12,13,14,15,16.

Сообщалось о двух режимах работы устройств, использующих их использование, при использовании MOF, а также других адсорбирующих материалов для сбора атмосферной воды17. Первый – это пассивный режим, при котором вода генерируется путем воздействия атмосферного воздуха на слой MOF в ночное время, когда относительная влажность максимальна18,19,20,21. В течение дня, когда относительная влажность минимальна, тепло, выделяемое солнечным светом, используется для десорбции воды из MOF, где она затем конденсируется на окружающих стенках пассивного устройства. Пассивный режим фактически представляет собой один 24-часовой цикл адсорбции-десорбции, и его производительность зависит от поглощающей способности используемого MOF при заданной относительной влажности. При использовании MOF-801 (емкость водопоглощения 37 мас.% при относительной влажности 30%) идеальное пассивное устройство, работающее с эффективностью 100%, даст 588 мл H2O кгMOF-801-1-1 в день при относительной влажности 30%18,19,20,21, 22. Заявленные значения водовыделения варьируются от 100 до 300 мл H2O кгMOF-801-1-д-1, что означает, что пассивное устройство работает с эффективностью <51% своей мощности. Чтобы добиться получения воды, подходящей для удовлетворения ежедневных потребностей человека (≥3,5 л), необходимо использовать значительно больше материала (например, 12–35 кгMOF-801). Это влияет на геометрию корпуса устройства и размер стеклянных концентраторов, необходимых для стадии десорбции цикла. Например, чтобы произвести 3,5 л воды при относительной влажности более 68%, площадь поверхности физического корпуса одно- или двухступенчатого пассивного устройства должна составлять 10,3 или 4,54 м2 соответственно, что просто слишком велико и непрактично18,19,20,21.

169% increase in water production (3.5 LH2O kgMOF-801−1 d−1) when compared to the best-performing, reported active device (0.7–1.3 LH2O kgMOF−1 d−1 at 10–32% RH), a lower power consumption (1.67–5.25 kWh LH2O−1), and saves time by requiring nearly 1.5 cycles less per d than a counterpart active device23. Furthermore, we demonstrate the adaptive device's ability to continuously and consistently produce water with no loss in performance after more than 1 yr of operation. Finally, a full panel water analysis was performed to assess and then certify, that the produced water met the national drinking standards of a potential water harvesting technology-adopting country (Jordan)./p>10 nm from entering the device and a fan to push the external air through the device (Fig. 1a). An electric heater was placed next to the fan such that during the desorption phase of a given cycle, heated air can provide the necessary energy to release the adsorbed water from the MOF pores and carry that desorbed water vapor at a higher capacity to the condenser. Indeed, air has a maximum water content of 130 g m−3 at 60 °C and 17.3 g m−3 at 20 °C, therefore, heating the air leads to a more than sevenfold increase in the ability of the air to transport the desorbed water vapor24. The first RH and temperature sensor was placed in front of the electric heater to measure the air before it passes through the MOF material (see Supplementary Note 1)./p> 20%, the timing of the desorption phase is relatively the same, but significantly different at RH < 20% (Fig. 3b). Similar to the adsorption phase, when closing the 5 mm outlet in the condensation compartment, a 14–32 min increase in the desorption time was observed, which resulted in a reduction of 7–19 mL cycle−1 water production. From these measurements, a second algorithm was developed to correlate heating time to the external conditions (i.e., RH and temperature) and the power (W) of the electric heater employed (see Supplementary Note 4)./p>

1000 cycles (equivalent to ca. 1 yr of operation). As shown in Fig. 5a, the adaptive device produced an appreciable amount of water per WHC (40 mL cycle−1). To confirm the structural stability of MOF-801, powder X-ray diffraction analysis was performed after this stress test was completed, which confirmed that the crystallinity of MOF-801 was retained with the diffraction pattern matching that of the simulated one from the single crystal structure (see Supplementary Note 6)./p>1000 cycles, which is equivalent to ca. 1 year of operation. Source data are provided as a Source Data file./p>1 continuous month. As depicted in Fig. 5b–d, the adaptive device effectively responded to the daily changes in weather conditions and continuously produced appreciable amounts of liquid water under severe desert conditions./p>10% RH), our adaptive device can operate throughout the world, with the notable exception of the Arctic Circle and the Antarctic, to serve the water needs of >2 billion people living without access to safely managed drinking water (SMDW)32. Therefore, to put our cost analysis into a global prospective, a random selection of countries representing lower-middle (Morocco and Nigeria) and upper-middle (Mexico and Jordan) income classification was chosen. Indeed, 31–40, 71–80, 51–60, and 11–20% of the population of Morocco, Nigeria, Mexico, and Jordan, respectively, lives without SMDW and could benefit from access to this technology (Table 2)32. Considering the cost of production together with on-grid electricity costs for these countries, our adaptive water harvesting device can provide financial savings of up to 49%, 63%, 63%, and 46% in water costs in Morocco, Nigeria, Mexico, and Jordan, respectively (Table 2)./p>