MOF adattivo all'ambiente - Relè Co., Ltd

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4873 (2022) Citare questo articolo

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La raccolta del vapore acqueo dagli ambienti desertici e aridi mediante dispositivi basati su strutture metallo-organiche (MOF) per fornire acqua liquida pulita dipende in modo critico dalle condizioni ambientali e climatiche. Tuttavia, i dispositivi segnalati sono stati già sviluppati per adattarsi in tempo reale a tali condizioni durante il loro funzionamento, il che limita gravemente l’efficienza della produzione idrica e aumenta inutilmente il consumo energetico. Qui riportiamo e descriviamo in dettaglio una modalità di operazione di raccolta dell'acqua, denominata "raccolta adattiva dell'acqua", da cui è dimostrato che un dispositivo basato su MOF è in grado di adattare le fasi di adsorbimento e desorbimento del suo ciclo di raccolta dell'acqua alle fluttuazioni meteorologiche durante un dato giorno, settimana e mese in modo tale che l’efficienza della produzione dell’acqua sia continuamente ottimizzata. Negli esperimenti di valutazione delle prestazioni in un clima desertico e arido (17–32% di umidità relativa), il dispositivo adattivo di raccolta dell'acqua raggiunge un aumento del 169% nella produzione di acqua (3,5 LH2O kgMOF−1 d−1) rispetto al dispositivo con le migliori prestazioni, dispositivo attivo segnalato (0,7–1,3 LH2O kgMOF−1 d−1 al 10–32% di umidità relativa), un consumo energetico inferiore (1,67–5,25 kWh LH2O−1) e consente di risparmiare tempo richiedendo quasi 1,5 cicli in meno rispetto a una controparte attiva dispositivo. Inoltre, l’acqua prodotta soddisfa gli standard nazionali di potabilità di un potenziale paese che adotta la tecnologia.

Entro il 2050, sei miliardi di persone si troveranno ad affrontare l’insicurezza idrica come conseguenza diretta del cambiamento climatico, della salvaguardia inadeguata delle risorse idriche, dell’espansione delle pratiche agricole irrigue, dell’aumento delle esportazioni di beni ad alto consumo di acqua e della crescita della popolazione umana1,2,3. Nel tentativo di affrontare la crisi idrica globale, l’approccio tradizionale è stato quello di abbinare le forniture idriche nazionali ai bisogni degli utenti senza tenere conto della domanda idrica totale1,4. Sebbene ci sia abbastanza acqua dolce disponibile per soddisfare tale domanda ogni anno a livello globale, le variazioni geografiche e temporali della domanda e della disponibilità di acqua sono ampie, il che significa che la scarsità d’acqua si verifica e cambia durante periodi specifici dell’anno1,4. Un primo passo ideale sarebbe che i paesi con scarsità d’acqua riducano la dipendenza dalle risorse idriche esterne e sviluppino politiche per importare beni ad alto consumo idrico che altrimenti esaurirebbero le scorte o non potrebbero essere prodotti in modo sostenibile a livello nazionale1,5. In effetti, questo avrebbe un impatto; dal 1996 al 2005, quasi un quinto dell’impronta idrica globale è stata destinata all’esportazione piuttosto che al consumo interno5. Parallelamente, durante questi periodi di scarsità idrica, devono essere perseguiti e realizzati mezzi alternativi di recupero, creazione, produzione e/o distribuzione dell’acqua, che includano la riduzione sistemica dell’acqua non generata, la desalinizzazione, il trattamento e il riutilizzo delle acque reflue e la raccolta in diverse forme6,7,8. Sebbene tutte queste si siano dimostrate efficaci a vari livelli nel integrare la fornitura di acqua per soddisfare la domanda interna in diverse condizioni ambientali e climatiche, una tecnologia emergente, la raccolta dell’acqua atmosferica basata su adsorbenti, si distingue per il suo comprovato potenziale nella cattura, raccolta e condensazione. vapore acqueo in condizioni climatiche in cui la sua concentrazione è bassa (ad esempio, regioni desertiche e aride)9,10,11. Nella raccolta dell'acqua atmosferica basata su adsorbenti, le strutture metallo-organiche (MOF), una classe di materiali cristallini estesi e porosi, regnano sovrani dato il loro comportamento ideale di assorbimento dell'acqua e la loro capacità a umidità relativa (RH), cinetica e termodinamica favorevoli del fisiassorbimento, e stabilità idrolitica12,13,14,15,16.

Quando si utilizzano MOF, così come altri materiali adsorbenti, per la raccolta dell'acqua atmosferica, sono state segnalate due modalità di funzionamento per i dispositivi che ne sfruttano l'uso17. La prima è una modalità passiva, in cui l'acqua viene generata esponendo un letto MOF all'aria atmosferica durante la notte quando l'umidità relativa è al massimo18,19,20,21. Durante il giorno, quando l'UR è minima, il calore generato dalla luce solare viene utilizzato per desorbire l'acqua dal MOF dove viene poi condensata sulle pareti circostanti del dispositivo passivo. La modalità passiva è effettivamente un ciclo di adsorbimento-desorbimento di 24 ore e le sue prestazioni dipendono dalla capacità di assorbimento del MOF impiegato ad una data umidità relativa. Quando si utilizza MOF-801 (capacità di assorbimento di acqua del 37% in peso al 30% di umidità relativa), un dispositivo passivo ideale funzionante al 100% di efficienza produrrebbe 588 mLH2O kgMOF-801−1 d−1 al 30% di umidità relativa18,19,20,21, 22. I valori di generazione dell'acqua riportati vanno da 100 a 300 mLH2O kgMOF-801−1 d−1, il che significa che il dispositivo passivo funziona con un'efficienza <51% della sua capacità. Per ottenere una produzione di acqua adatta a soddisfare le esigenze quotidiane di una persona (≥3,5 L), è necessario utilizzare una quantità notevolmente maggiore di materiale (ad esempio, 12–35 kgMOF-801). Ciò ha conseguenze rispetto alla geometria dell'involucro del dispositivo e alla dimensione dei concentratori di vetro richiesti per la fase di desorbimento del ciclo. Ad esempio, per generare 3,5 L di acqua con un'umidità relativa più alta del 68%, la superficie dell'involucro fisico di un dispositivo passivo a stadio singolo o doppio dovrebbe essere rispettivamente di 10,3 o 4,54 m2, che è semplicemente troppo grande e non pratico18,19,20,21.

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>