Проблема нехватки пресной воды затрагивает весь мир. Несмотря на обилие водных ресурсов на планете, лишь ничтожная часть — около 2,5% — пресная. Существующие решения, вроде опреснения морской воды или сложной очистки стоков — все еще остаются затратными. Поэтому перспективным направлением становится извлечение влаги из атмосферного воздуха. Но на этом пути есть серьезные технические сложности.
В России создали дешевую и экологичную установку для получения воды из воздуха
Ученые РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина создали установку для получения воды из воздуха, предназначенную для теплых регионов. Прибор накапливает влагу ночью и «отдает» ее днем.
Freepik
Зачем получать воду из воздуха
Ключевое препятствие — недостатки самих сорбентов. Так, популярные гигроскопические соли, активно поглощая воду, склонны растворяться и вытекать, что не только выводит из строя оборудование из-за коррозии, но и нарушает работу всей системы. Другие распространенные материалы, к примеру силикагель, требуют сильного нагрева, что резко повышает энергопотребление. Наиболее современные и эффективные сорбенты — металло-органические каркасы — оказываются дорогими в производстве, а их потенциальная токсичность ставит под вопрос безопасность широкого применения.
Композиты — материалы будущего
Ученые Губкинского университета предложили техническое решение, в основе которого – создание нового композитного материала. Композиты часто называют материалами будущего. Сегодня это одно из наиболее важных направлений развития науки.
Композиционные материалы уже активно используются в энергетике, авиации, космической промышленности. Теперь команда российских химиков предложила применять их и для решения проблемы пресной воды.
«Мы создали решение на основе разработанного композитного материала, поскольку в университете уже наработаны серьезные компетенции в этой сфере», — рассказал Дмитрий Репин, один из разработчиков новой установки, научный сотрудник кафедры физической и коллоидной химии РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина.
Сотрудничество природы и высоких технологий
В основе нового материала лежит микрофибриллированная целлюлоза — мельчайшие волокна, создающие при соединении прочную и пористую структуру с большой площадью поверхности.
«Одно из главных преимуществ разработки — экологичность. Композит основан на возобновляемом вторсырье — отходах деревообработки», — объяснил Дмитрий Репин.
Чтобы придать конструкции дополнительную механическую стабильность, ученые нанесли на целлюлозную основу тонкий слой полистирола — обычного пластика. Того самого, из которого делают пенопласт. В результате получилась легкая и упругая матрица, способная удерживать влагу.
Снимок микрофибриллярной целлюлозы с полистиролом
Для повышения эффективности матрицу пропитали ионной жидкостью BMIMCI. Вода из композита не вытекает, кроме того, он демонстрирует высокую емкость, хотя и поглощает влагу не так быстро.
Результаты испытаний подтвердили: при влажности воздуха 63% материал связывает 1,15 грамма воды на грамм собственного веса, что более чем в 2,5 раза превышает показатели исходной целлюлозно-полистирольной основы без пропитки.
Помощь колхознику и туристу
Ночью, когда влажность повышается, композит впитывает воду, днем — нагревается под солнцем и всего за 6 часов полностью отдает накопленную влагу. Для этого хватит температуры 60 градусов – она быстро достигается под прямыми солнечными лучами. Полученный пар легко конденсировать в чистую питьевую воду.
Инновационную технологию реализовали в установке, которая может использоваться в сельском хозяйстве или для создания автономных систем водоснабжения. Комплекс не требует электроэнергии или топлива и работает за счет солнечного излучения и естественных суточных колебаний влажности.
Установка подходит для жарких регионов, в которых сохраняется повышенная влажность — не менее 55%.
Нанесение фототермического покрытия на микрофибриллированную целлюлозу
Ученые намерены интегрировать в структуру композита проводящие элементы — углеродные нанотрубки и графен. Это позволит быстрее высвобождать влагу. Уже сейчас для активизации десорбции исследователи испытывают специальное покрытие, поглощающее световую энергию и обеспечивающее нагрев материала до 80 градусов, что ускоряет процесс выделения воды.