Блог компании ua-hosting.company. Большая часть нашей планеты покрыта водой. Ирония заключается в том, что львиная доля этих водных ресурсов непригодны для питья. Нехватка питьевой воды является одной из самых острых проблем глобального масштаба. В попытках решить ее ученые разработали множество методов сбора воды, самым перспективным среди которых считается AWH (atmospheric water harvesting), т. е. улавливание влаги из воздуха.

Ученые из Техасского университета в Остине (США) считают, что сделали прорыв в этой области. Они разработали новую систему захвата атмосферной воды, основанную на гидрогеле, чья молекулярная структура была специальным образом сконструирована добывать воду, используя исключительно энергию солнечного света.

Как именно работает устройство, и насколько высока его эффективность? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Учитывая наличие морей и океанов, может возникнуть вполне логичный вопрос — зачем искать новые методы добычи воды, когда можно просто опреснять морскую? На самом деле этот процесс не самый простой и не самый дешевый. Не говоря уже о том, что далеко не все страны имеют доступ к морю или океану. AWH (атмосферный сбор воды) является более децентрализованным методом, который не отягощен географическими или гидравлическими ограничениями опреснения.

AWH на основе сорбента (SAWH) демонстрирует уникальное преимущество универсальной функциональности при различных уровнях относительной влажности (RH от relative humidity), сохраняя эффективность даже при низких уровнях RH в 15%. В практическом процессе SAWH обычно участвуют несколько ключевых этапов, включая удаление грязи и пыли из потока влаги, производство воды с помощью сорбента посредством циклов сорбции-десорбции и последующий сбор воды с возможной очисткой, если таковая необходима.

Примечательно, что характеристики сорбента AWH оказывают существенное влияние как на общий выход воды, так и на энергозатраты, связанные с процессом (1A).

Изображение №1

Значительные усилия были предприняты для исследования новейших сорбентов AWH, демонстрирующих высокое водопоглощение, быструю кинетику сорбции-десорбции и энергоэффективное выделение воды. Среди множества протестированных материалов полимерные гидрогели привлекли значительное внимание ученых из-за их замечательной способности удерживать воду и способности модулировать температуру десорбции посредством различных взаимодействий типа полимер-вода.

Термочувствительные гидрогели представляют собой подкласс гидрогелей, которые претерпевают фазовые переходы в ответ на колебания температуры. В частности, в качестве сорбентов AWH использовались гидрогели с более низкими критическими температурами растворения (LCST от lower critical solution temperature), такие как поли(N-изопропилакриламид) (PNIPAM), поскольку для них характерен гидрофильно-гидрофобный переход при температурах, превышающих LCST, что способствует высвобождению воды на молекулярном уровне.

Для улучшения гигроскопических характеристик термочувствительных гидрогелевых сорбентов, особенно в условиях низкой относительной влажности, можно использовать интеграцию гигроскопических солей, таких как хлорид лития (LiCl) и хлорид кальция (CaCl2), в матрицу гидрогеля для разработки композитных сорбентов с улучшенными способностями поглощения влаги. Соли сжижают адсорбированный пар за счет расплывания, а матрица гидрогеля служит молекулярным резервуаром для хранения жидкой воды. Однако такие композитные сорбенты могут подвергаться риску утечки соли при повышенной относительной влажности из-за неконтролируемого расплывания и недостаточного удерживания соли, а также могут страдать от плохой способности к набуханию, вызванной эффектом высаливания при высоком содержании соли, что может ухудшить характеристики сорбента. Не говоря уже о том, что для более полной десорбции воды обычно требуются более высокие температуры, поскольку агрегированные гидраты солей требуют значительной энергии активации для разложения.

Альтернативно, способность к набуханию может быть сохранена при контролируемом захвате воды, если гигроскопичные ионы иммобилизованы в ограниченной области. Более того, потенциальное снижение энергозатрат при десорбции могло быть достигнуто без образования агрегированных кристаллогидратов, учитывая ограниченную подвижность ионов.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые предлагают новую концепцию ограниченной гидратации в термочувствительных гидрогелях для энергоэффективного AWH (1B). Ограниченные гигроскопичные участки, прикрепленные к полимерной цепи, могут в значительной степени иммобилизовать ионы соли, обеспечивая образование сетей в замкнутой воде и набухание гидрогеля внутри молекулярной сетки, а не неконтролируемое разжижение соли. При умеренном нагревании распад сети молекул воды и последующий выход воды облегчается за счет конформационного изменения термочувствительной гелевой матрицы.

В этом исследовании молекулярно-ограниченная гидратация в термочувствительных гидрогелях достигается за счет бифункциональной полимерной сетки, состоящей из гигроскопичных цвиттерионных фрагментов и термочувствительных фрагментов. Иммобилизация ионов внутри цвиттер-ионного сегмента приводит к образованию ограниченных гигроскопичных участков, что способствует стабильному поглощению воды в диапазоне уровней относительной влажности.

В то же время включение термочувствительного сегмента позволяет выделять воду при сравнительно низких температурах, подчеркивая синергетический вклад как замкнутых участков, так и термочувствительной сети. Кроме того, конфигурация микрогеля обеспечивает сорбенту быструю кинетику сорбции-десорбции.

Результаты показали, что TZMG (термочувствительный цвиттерионный микрогель) может достигать поглощения воды 1 г/г при относительной влажности 60% в течение 100 минут и обеспечивать высвобождение примерно 80% уловленной воды в течение 20 минут при температуре всего 40 °C (1C).