Разработана дешевая технология получения питьевой воды из сухого пустынного воздуха

По сравнению с традиционными технологиями очистки воды, которые зависят от наличия близлежащего водоема или подземного источника, извлечение воды из воздуха выглядит куда более привлекательной альтернативой, поскольку этот подход не зависит ни от географических, ни от гидрологических условий местности. Воду можно получать, например, улавливанием тумана или конденсацией росы, однако для этого необходима высокая относительная влажность воздуха (более 90%). Очевидно, такие подходы не могут полностью решить проблему, поскольку свыше трети площади земной поверхности имеет среднегодовую влажность ниже 40%. 

Именно поэтому группа исследователей из Техасского университета в Остине (США) решила разработать недорогую технологию сбора атмосферной влаги без расчета на погодные явления потенциального места использования. В новой работе, опубликованной в журнале Nature Communications, они описывают разработку недорогой гелевой супергигроскопичной полимерной пленки, способной вытягивать воду из воздуха даже в самом сухом климате. Материалы, необходимые для создания пленки, стоят всего два доллара за килограмм, а с помощью одного килограмма пленки можно собирать до 5,8 литра воды в день в районах с относительной влажностью менее 15% и до 13,3 литра — в районах с относительной влажностью до 30%. 

Ключевые этапы технологии сбора воды из воздуха (а). Географическое распределение среднегодовой относительной влажности в мире (b). Структура и механизм работы сверхгигроскопичных полимерных пленок (SHPF) (c) / © Youhong Guo et al., Nature Communications, 2022

«Эта новая работа посвящена практическим решениям, которые люди могут использовать для получения воды в самых жарких и засушливых местах на Земле, — объяснил соавтор статьи Гуйхуа Ю (Guihua Yu), профессор Кокреллской инженерной школы Техасского университета. — Это могло бы позволить миллионам людей, не располагающих постоянным доступом к питьевой воде, иметь дома простые водогенерирующие устройства, которыми они могли бы легко управлять». 

Для создания гигроскопичной полимерной матрицы (скелета пленки) исследователи взяли гидроксипропилцеллюлозу и конжаковую камедь — две пищевые добавки, используемые как загустители и стабилизаторы. При смешении они создавали пористую структуру пленки, ускоряющую процесс захвата атмосферной влаги. В порах пленки однородно распределялся третий компонент — гигроскопичная соль LiCl, позволяющая эффективно поглощать атмосферную воду даже при низкой относительной влажности. 

Наличие в составе пленки термочувствительной целлюлозы (гидроксипропилцеллюлозы), которая становится гидрофобной (избегает контакта с молекулами воды) при нагревании, обеспечивает контролируемое высвобождение собранной пленкой влаги в течение 10 минут. При этом, средняя эффективность водосбора (т.е. отношение количества собираемой воды к количеству атмосферной влаги, поглощенной установкой) достигает 87%. 

Конструктивная схема (а) и фотография водосборного устройства (b). Врезка: фотографии капель конденсированной воды (вверху) и увеличенный образец (внизу). Масштабная линейка: 1 см / © Youhong Guo et al., Nature Communications, 2022

Схема работы устройства на основе сверхгигроскопичной полимерной пленки получается весьма простой и изящной: при прохождении влажного воздуха через поры пленки, она насыщается атмосферной влагой из-за своей гигроскопичности (во многом благодаря соли LiCl) и увеличивается в размерах, накапливая воду в полимерной сети. Затем пленку нагревают до 60 °C, чтобы гидроксипропилцеллюлоза стала гидрофобной и чтобы выпарить накопленную в пленке воду, которая затем конденсируется на конденсере, собирается в коллекторе и уводится из системы.

Благодаря этому общие затраты энергии на сбор воды из воздуха сводятся к минимуму, особенно в сравнении с похожими, но энергоемкими и малоэффективными известными технологиями. Кроме того, по словам исследователей, поскольку сама реакция проста, это помогает избегать проблем, связанных с ее масштабированием и массовым применением. 

Схема изготовления сверхгигроскопичной полимерной пленки (SHPF) методом литья (a). Фотография образца SHPF (b). Масштабная линейка: 2 сантиметра. Фотографии пленок различной формы и толщины (с). Масштабная линейка: 1 сантиметр. Изображения пленки, полученные на сканирующем электронном микроскопе (d, e). Масштабная линейка: 200 микрометров. / © Youhong Guo et al., Nature Communications, 2022

Супергигроскопичная пленка получается гибкой и может принимать различные формы и размеры в зависимости от потребностей пользователя. Для ее изготовления требуется только смешать все необходимые ингредиенты, залить смесь в форму и высушить замораживанием, после чего пленку можно сразу использовать. «Для этого вам не нужна ученая степень. Это достаточно просто, и каждый может сделать это дома, если у него есть необходимые материалы», — подытожили ученые.