Umweltadaptives MOF

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 4873 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Gewinnung von Wasserdampf aus Wüsten- und Trockengebieten durch Geräte auf der Basis metallorganischer Gerüste (MOF) zur Bereitstellung sauberen flüssigen Wassers hängt entscheidend von den Umgebungs- und Klimabedingungen ab. Es wurde jedoch berichtet, dass Geräte bisher so entwickelt wurden, dass sie sich während ihres Betriebs in Echtzeit an solche Bedingungen anpassen, was die Effizienz der Wasserproduktion stark einschränkt und den Stromverbrauch unnötig erhöht. Hier berichten und erläutern wir einen Modus der Wassergewinnung, der als „adaptive Wassergewinnung“ bezeichnet wird und bei dem ein MOF-basiertes Gerät nachweislich in der Lage ist, die Adsorptions- und Desorptionsphasen seines Wassergewinnungszyklus an Wetterschwankungen im Verlauf eines bestimmten Tages anzupassen. Woche und Monat, so dass die Effizienz der Wasserproduktion kontinuierlich optimiert wird. In Leistungsbewertungsexperimenten in einem trockenen Wüstenklima (17–32 % relative Luftfeuchtigkeit) erreicht das adaptive Wassernutzungsgerät eine Steigerung der Wasserproduktion um 169 % (3,5 LH2O kgMOF−1 d−1) im Vergleich zum leistungsstärksten Gerät. berichtete über ein aktives Gerät (0,7–1,3 LH2O kgMOF−1 d−1 bei 10–32 % relativer Luftfeuchtigkeit), einen geringeren Stromverbrauch (1,67–5,25 kWh LH2O−1) und spart Zeit, da es fast 1,5 Zyklen weniger benötigt als ein aktives Gegenstück Gerät. Darüber hinaus entspricht das produzierte Wasser den nationalen Trinkstandards eines potenziellen Technologieeinführungslandes.

Sechs Milliarden Menschen werden bis 2050 als direkte Folge des Klimawandels, der unsachgemäßen Sicherung der Wasserressourcen, der Ausweitung der Bewässerungslandwirtschaft, des zunehmenden Exports wasserintensiver Güter und einer wachsenden menschlichen Bevölkerung mit Wasserknappheit konfrontiert sein1,2,3. Bei dem Versuch, die globale Wasserkrise zu bewältigen, bestand der traditionelle Ansatz darin, die nationalen Wasservorräte mit den Bedürfnissen der Wassernutzer abzugleichen, ohne den gesamten Wasserbedarf zu berücksichtigen1,4. Obwohl auf globaler Ebene jedes Jahr genügend Süßwasser zur Verfügung steht, um diesen Bedarf zu decken, sind die geografischen und zeitlichen Schwankungen des Wasserbedarfs und der Wasserverfügbarkeit groß, was bedeutet, dass Wasserknappheit auftritt und sich zu bestimmten Zeiten im Jahr ändert1,4. Ein idealer erster Schritt für wasserarme Länder wäre, die Abhängigkeit von externen Wasserressourcen zu verringern und Richtlinien für den Import wasserintensiver Güter zu entwickeln, die andernfalls die Vorräte erschöpfen oder nicht nachhaltig im Inland produziert werden können1,5. Dies wäre in der Tat wirkungsvoll; Von 1996 bis 2005 wurde fast ein Fünftel des globalen Wasser-Fußabdrucks für den Export und nicht für den Inlandsverbrauch aufgewendet5. Parallel dazu müssen in Zeiten der Wasserknappheit alternative Möglichkeiten der Wasserrückgewinnung, -erzeugung, -produktion und/oder -lieferung verfolgt und umgesetzt werden, zu denen die systematische Reduzierung von nicht gewinnbringendem Wasser, Entsalzung, Abwasserbehandlung und -wiederverwendung sowie Wasser gehören Ernte in verschiedenen Formen6,7,8. Obwohl sich diese alle in unterschiedlichem Maße als erfolgreich bei der Ergänzung der Wasserversorgung zur Deckung des inländischen Bedarfs unter unterschiedlichen Umwelt- und Klimabedingungen erwiesen haben, zeichnet sich eine neue Technologie – die auf Adsorptionsmitteln basierende atmosphärische Wassergewinnung – durch ihr nachgewiesenes Potenzial beim Auffangen, Sammeln und Kondensieren aus Wasserdampf unter Klimabedingungen, in denen seine Konzentration gering ist (z. B. Wüste, Trockengebiete)9,10,11. Bei der adsorbensbasierten atmosphärischen Wassergewinnung sind metallorganische Gerüste (MOFs), eine Klasse ausgedehnter, poröser kristalliner Materialien, aufgrund ihres idealen Wasseraufnahmeverhaltens und ihrer Kapazität bei relevanten relativen Luftfeuchtigkeiten (RH) sowie ihrer günstigen Kinetik und Thermodynamik der Physisorption führend. und hydrolytische Stabilität12,13,14,15,16.

Beim Einsatz von MOFs und anderen Adsorptionsmaterialien zur atmosphärischen Wassergewinnung wurden zwei Betriebsmodi für Geräte berichtet, die ihre Verwendung nutzen17. Der erste ist ein passiver Modus, bei dem Wasser erzeugt wird, indem ein MOF-Bett nachts atmosphärischer Luft ausgesetzt wird, wenn die relative Luftfeuchtigkeit ihr Maximum erreicht18,19,20,21. Tagsüber, wenn die relative Luftfeuchtigkeit minimal ist, wird die durch Sonnenlicht erzeugte Wärme genutzt, um das Wasser aus dem MOF zu desorbieren, wo es dann an den umgebenden Wänden des passiven Geräts kondensiert. Der passive Modus ist praktisch ein 24-stündiger Adsorptions-Desorptions-Zyklus und seine Leistung hängt von der Aufnahmekapazität des verwendeten MOF bei einer bestimmten relativen Luftfeuchtigkeit ab. Bei Verwendung von MOF-801 (37 Gew.-% Wasseraufnahmekapazität bei 30 % relativer Luftfeuchtigkeit) würde ein ideales passives Gerät, das mit 100 % Effizienz arbeitet, 588 mLH2O kgMOF-801−1 d−1 bei 30 % relativer Luftfeuchtigkeit ergeben18,19,20,21, 22. Die gemeldeten Werte für die Wassererzeugung liegen zwischen 100 und 300 mLH2O kgMOF-801−1 d−1, was bedeutet, dass das passive Gerät mit einem Wirkungsgrad von <51 % seiner Kapazität arbeitet. Um eine bedarfsgerechte Wassererzeugung (≥3,5 L) zu erreichen, muss deutlich mehr Material eingesetzt werden (z. B. 12–35 kgMOF-801). Dies hat Auswirkungen auf die Geometrie des Gerätegehäuses und die Größe der Glaskonzentratoren, die für die Desorptionsstufe des Zyklus erforderlich sind. Um beispielsweise 3,5 l Wasser bei höheren 68 % relativer Luftfeuchtigkeit zu erzeugen, müsste die Oberfläche des physischen Gehäuses eines ein- oder zweistufigen passiven Geräts 10,3 bzw. 4,54 m2 betragen, was einfach zu groß ist nicht praktikabel18,19,20,21.

Der zweite Betriebsmodus ist ein aktiver Modus, bei dem über mehrere Adsorptions-Desorptions-Zyklen, die an einem bestimmten Tag stattfinden, kontinuierlich Wasser aus Luft erzeugt wird23. Im aktiven Modus beginnt die Adsorptionsphase damit, dass mithilfe eines Ventilators über einen festgelegten Zeitraum Luft durch das Materialbett gedrückt wird. Es erfolgt jederzeit eine Desorption durch eine zusätzliche Wärmequelle, um das eingefangene Wasser freizusetzen, und zur Kondensation des Wasserdampfs wird ein Dampfkompressions-Kühlsystem verwendet. Der aktive Modus hängt von der dynamischen Wasserkapazität des verwendeten MOF ab, die sich wiederum auf die Zyklenrate und die täglich erzeugte Wassermenge auswirkt23. Berichten zufolge können aktive Geräte bis zu 1,3 LH2O kgMOF−1 d−1 bei 32 % relativer Luftfeuchtigkeit und 27 °C erzeugen – eine Menge, die viermal größer ist als die, die ein passives Gerät unter den gleichen Bedingungen erreichen kann23. Obwohl dies eine deutliche Verbesserung gegenüber dem passiven Betriebsmodus darstellt, reicht die Wassererzeugung pro kgMOF nicht aus, um den täglichen Bedarf zu decken.

Hier berichten wir über die Konstruktion eines Wasserauffanggeräts mit MOF-801, das die Betriebsmodi über die passive und aktive Funktion hinaus auf „adaptive Wasseraufbereitung“ erweitert (Abb. 1). Dieser Betriebsmodus baut auf dem vorherigen aktiven Modus auf, bei dem das Gerät mehrere Wassergewinnungszyklen (WHC; manchmal auch einfach als „Zyklus“ bezeichnet) pro Tag ausführt. Der entscheidende Unterschied besteht jedoch darin, dass der adaptive Modus das Timing und die Effizienz optimiert jedes WHC basierend auf externen Umgebungsbedingungen in Echtzeit. In Leistungsbewertungsexperimenten in einem wüstentrockenen Klima (17–32 % relative Luftfeuchtigkeit) verzeichnete das adaptive Gerät einen Anstieg der Wasserproduktion um >169 % (3,5 LH2O kgMOF-801−1 d−1) im Vergleich zum leistungsstärksten Gerät. berichteten über ein aktives Gerät (0,7–1,3 LH2O kgMOF−1 d−1 bei 10–32 % RH), einen geringeren Stromverbrauch (1,67–5,25 kWh LH2O−1) und eine Zeitersparnis, da fast 1,5 Zyklen weniger pro Tag erforderlich sind als bei einem Gegenstück aktives Gerät23. Darüber hinaus demonstrieren wir die Fähigkeit des adaptiven Geräts, nach mehr als einem Jahr Betrieb kontinuierlich und gleichmäßig Wasser ohne Leistungsverlust zu produzieren. Abschließend wurde eine vollständige Panel-Wasseranalyse durchgeführt, um zu bewerten und anschließend zu bestätigen, dass das produzierte Wasser den nationalen Trinkstandards eines potenziellen Landes, das Wasseraufbereitungstechnologien einführt (Jordanien), entspricht.

ein Schema des hier beschriebenen Wassersammelgeräts, das aus drei modularen Fächern besteht: einem Lufteinlassfach, in dem sich ein Luftfilter, ein Ventilator und eine elektrische Heizung befinden; Sorptionsfach, das das MOF-801-Adsorptionsmittel auf mit Aluminium ausgekleideten Tabletts aufnimmt; und Kondensationsfach, das einen Kondensator und einen Wassersammeltrichter enthält. b Fotos des Wasseraufbereitungsgeräts mit Beschriftungen für verschiedene kritische Komponenten.

Um den Anwendungsbereich der adsorbensbasierten Wassergewinnung zu erweitern, haben wir ein modulares Gerät mit drei Kammern konstruiert, das auf dem aktiven Betriebsmodus aufbaut. Wie gezeigt wird, spielt das Design eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Leistung des Wassergewinnungsprozesses. Das erste Fach, das als Lufteinlassfach bezeichnet wird, enthält einen Luftfilter, der verhindert, dass feste Partikel mit einer Größe von >10 nm in das Gerät gelangen, sowie einen Ventilator, der die Außenluft durch das Gerät drückt (Abb. 1a). Neben dem Lüfter wurde eine elektrische Heizung platziert, sodass während der Desorptionsphase eines bestimmten Zyklus erhitzte Luft die nötige Energie liefern kann, um das adsorbierte Wasser aus den MOF-Poren freizusetzen und den desorbierten Wasserdampf mit einer höheren Kapazität zum Kondensator zu befördern. Tatsächlich hat Luft einen maximalen Wassergehalt von 130 g m−3 bei 60 °C und 17,3 g m−3 bei 20 °C, daher führt die Erwärmung der Luft zu einer mehr als siebenfachen Steigerung der Fähigkeit der Luft, das desorbierte Wasser zu transportieren Dampf24. Der erste RH- und Temperatursensor wurde vor der elektrischen Heizung platziert, um die Luft zu messen, bevor sie durch das MOF-Material strömt (siehe Ergänzende Anmerkung 1).

Die zweite Kammer, Sorptionskammer genannt, war in Reihe direkt mit der Lufteinlasskammer verbunden und enthielt acht Wannen (mit Platz für weitere), die parallel zum Luftstrom angeordnet waren (Abb. 1). Jede Schale war mit Aluminium (2 mm dick) ausgekleidet, um den Wärmetransport zu erhöhen und die Wasserdesorption zu erleichtern. Aluminium hat eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit (KAl = 205 W m−1 K−1 gegenüber Kacrylic = 0,2 W m−1 K−1) und wird bei Anwendung des Fourier-Gesetzes eine 1000-fach höhere Wärmeleitung erreichen Temperaturunterschied im Vergleich zu Acryl25. Für dieses Gerät wurde MOF-801 aufgrund seiner hohen Wasseraufnahme von 22,5 bzw. 37 Gew.-% bei 10 bzw. 30 % relativer Luftfeuchtigkeit und seines geeigneten α-Wendepunkts (P/P0 = 0,07) ausgewählt, der die Fähigkeit des Materials dazu unterstreicht adsorbieren Wasser in trockenen Umgebungen22. Darüber hinaus ist die Wasseradsorption durch MOF-801 vollständig reversibel, ohne dass bei der Desorption eine Hysterese beobachtet wird, und seine milde Wasseradsorptionsenthalpie von 60 kJ mol−1 bedeutet, dass bei der Regeneration kein großer Energieaufwand entsteht (siehe Ergänzende Anmerkung 2)22. Das Sorptionskompartiment wurde für die Aufnahme von 100 g bis 10 kg MOF-801 für Leistungsmessungen konstruiert und verfügt über zwei Sensoren oben und unten.

Die dritte Kammer, Kondensationskammer genannt, war direkt mit der Sorptionskammer verbunden und enthielt einen Kondensator, der als Verdampfer eines größeren Dampfkompressions-Kühlkreislaufs diente. Der Kondensator ist in einen Trichter eingebaut, der dazu dient, das kondensierte flüssige Wasser aufzufangen und zur darunter liegenden Mineralisierungs- und Filtereinheit zu transportieren (Abb. 1). Am Boden dieses Fachs wurde ein 5-mm-Auslassloch eingearbeitet, um Gegendruck, Reibungsverlust oder Druckabfall zu verhindern. Darüber hinaus sorgt dieses Loch nicht nur für einen kontinuierlichen Zufluss heißer Luft, sondern leitet auch das Kondenswasser zur Mineralisierungs- und Filtereinheit. Der Kondensationsraum verfügt über einen Sensor, der vor dem Kondensator angebracht ist, um relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur der Luft zu messen, nachdem sie dem MOF-801-Bett ausgesetzt wurde (Abb. 1b).

Nach der Konstruktion des Geräts versuchten wir dann, seine Leistung bei der Erzeugung von Wasser bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit über einen aktiven Betriebsmodus zu testen. Ein aktiver Wassergewinnungszyklus (WHC) wurde wie folgt definiert: 40-minütige Adsorptionsphase (eine Adsorptionsphase ist definiert als einfaches Ansaugen von Luft durch den Ventilator aus der Außenumgebung durch alle drei Kammern), gefolgt von einer 20-minütigen Desorptionsphase (eine Desorptionsphase). wird ähnlich wie die Adsorptionsphase definiert, jedoch mit eingeschalteter elektrischer Heizung), die zweimal wiederholt wurde. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Regenerationsphase durchgeführt, bevor der nächste WHC erneut gestartet wurde (Regeneration ist definiert als 15 Minuten Luftstrom ohne Wärme, 10 Minuten mit keine Kühlung des Kondensators, um die Wassertröpfchen aufzufangen, und 5 Minuten ohne Lüfter, um das Gerät vor dem Start des nächsten WHC ins Gleichgewicht zu bringen). Es wird darauf hingewiesen, dass die Zeitpläne für jede Phase auf der Grundlage vorläufiger Messungen ermittelt wurden, die visuelle Hinweise auf die Wasserproduktion als Funktion der Zeit lieferten (siehe Ergänzende Anmerkung 3). Basierend auf dieser aktiven WHC-Definition wurde unser Wasserauffanggerät unter verschiedenen Umgebungsbedingungen (10–70 % relative Luftfeuchtigkeit und 15–35 °C) untersucht und erwies sich als in der Lage, täglich 1,2–2,6 l Wasser bei einem Energieverbrauch von zu produzieren 3–7 kWh L−1 (siehe Ergänzende Anmerkung 3).

Die Bedeutung der Verwendung von MOFs für eine funktionelle und effiziente atmosphärische Wassergewinnung liegt in ihrer Fähigkeit, Wasserdampf in der Luft effektiv zu konzentrieren, was zu einem erhöhten Taupunkt führt13,14,15. Es ist wichtig, hier darauf hinzuweisen, dass sich die bisherige Literatur ausschließlich auf die relative Luftfeuchtigkeit als Grundlage für die Wasserproduktion konzentrierte, ohne den Einfluss der Temperatur zu berücksichtigen9,10,11,18,19,20,21. Tatsächlich müssen bei atmosphärischen Wassergewinnungsprozessen sowohl die relative Luftfeuchtigkeit als auch die Temperatur durch den Taupunktwert berücksichtigt werden. Tatsächlich spiegelt der Taupunkt die tatsächliche Wassermenge in der Luft zu einem bestimmten Zeitpunkt wider und daher werden sich alle weiteren Diskussionen auf den Taupunkt als Grundlage für die Wasserproduktion stützen. Dieses Konzept lässt sich leicht veranschaulichen, wenn man die Desorptionsdaten des Sensors im Kondensationsfach für die Testläufe unseres MOF-801-basierten Geräts in einem psychrometrischen Diagramm bei 101,3 kPa aufträgt. Wie in Abb. 2 dargestellt, entspricht der Taupunkt 3,6 °C, wenn das Gerät bei Außenbedingungen von 30 % relativer Luftfeuchtigkeit und 22 °C betrieben wird. Nach Abschluss der Adsorptionsphase wurde 10 Minuten lang erhitzt, um die Wasserdesorption aus den Poren von MOF-801 einzuleiten, was zu einem Anstieg des Taupunkts auf 8,3 °C führte. Darüber hinaus führte ein zusätzliches 10-minütiges Erhitzen zu einem noch höheren Taupunkt von 11,2 °C. Dieser scheinbar geringe Anstieg des Taupunkts hat große Auswirkungen auf den Stromverbrauch des Kondensators im Vergleich zur direkten Luftkühlung ohne Verwendung von MOF-801 (d. h. 55 % Reduzierung) (siehe Ergänzende Anmerkung 3). Jede zusätzliche Erwärmung über diesen Punkt hinaus ist überflüssig und kann als Energieverlust betrachtet werden, da eine solche Erwärmung nicht zu einer weiteren Erhöhung des Taupunktes führt und somit das Ende der Desorptionsphase signalisiert (20 Minuten Gesamterwärmung). Dies wirft die Frage auf: Wenn die äußeren Bedingungen von den hier gemessenen abweichen, welchen Einfluss hat das auf die vorgeschriebene Zeit für die Durchführung der Adsorptions- und Desorptionsphasen eines bestimmten WHC? Tatsächlich kann man sich leicht vorstellen, dass diese Sorptionsphasen des Geräts weder adaptiv noch für eine Vielzahl von Bedingungen optimiert sind.

Die Reaktion des Kondensationsraums für die Desorptionsphase eines WHC, dargestellt in einem psychrometrischen Diagramm an einem Ausgangspunkt, dessen Umgebungsbedingungen 30 % relative Luftfeuchtigkeit und 22 °C (blau) betrugen. Die Optimierung der Erwärmung für 10 (grün) und 20 Minuten (orange) erhöht den Taupunkt um 4,7 bzw. 7,6 °C. Dieser Anstieg des Taupunktes hat große Auswirkungen auf den Stromverbrauch des Kondensators. Quelldaten werden als Quelldatendatei bereitgestellt.

Basierend auf den Einschränkungen des aktiven Modus versuchten wir dann, einen dritten Betriebsmodus zu entwickeln, der als „adaptive Wassergewinnung“ bezeichnet wird. Das Grundkonzept dieses adaptiven Modus besteht darin, die relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur der Außenumgebung zu messen und diese über den Taupunktwert zu kombinieren. Das Wassergewinnungsgerät wurde dann so programmiert, dass es diesen gemessenen Taupunkt in Echtzeit liest und seine Adsorptions- und Desorptionsphasen anweist, entsprechend diesem Wert zu reagieren. Im Prinzip ergibt sich dadurch die höchste Wassermenge, da die Zyklenrate anpassbar ist und für die Produktivität pro Zeit von d maximiert wird.

Der erste Schritt bei der Entwicklung des adaptiven Geräts bestand darin, die Zeit zu verstehen, die MOF-801 (400 g) benötigt, um unter allen gegebenen Umgebungsbedingungen die volle Sättigung zu erreichen. Zu diesem Zweck wurde für MOF-801 ein vollständiger Desorptionsprozess durchgeführt, indem 80 °C heiße Luft 2 Stunden lang durch den Sorptionsraum gedrückt wurde. Anschließend wurde MOF-801 der Luft unter erschwerten Bedingungen ausgesetzt (35–40 °C und 15, 18 und 26 % relative Luftfeuchtigkeit) und die Taupunktreaktion im Kondensatorraum wurde aufgezeichnet. Wie in Abb. 3a dargestellt, sinkt der Taupunkt als Funktion der Zeit auf einen stationären Wert, bevor er stetig wieder auf einen Wert zurückkehrt, der auf den äußeren Umgebungsbedingungen basiert (siehe Ergänzende Anmerkung 4). Da die Differenz zwischen dem anfänglichen und dem stationären Taupunktwert die Menge des von MOF-801 adsorbierten Wassers widerspiegelt, kann der erforderliche Zeitpunkt der Adsorptionsphase geklärt werden. Beispielsweise hat die Luft bei 26 % relativer Luftfeuchtigkeit und einer Taupunkttemperatur von 14 °C eine absolute Luftfeuchtigkeit (dh die tatsächliche Wassermenge in der Luft) von 11,4 gH2O m−3. Wenn die Adsorptionszeit auf 51 Minuten verlängert wird, wird ein stationärer Taupunktwert von 3,4 °C bei einer absoluten Luftfeuchtigkeit von 5,29 gH2O m−3 erreicht, was einer Adsorption von 300 gH2O in MOF-801 über diesen Zeitraum entspricht (Abb. 3a). Verkürzt man die Adsorptionszeit auf 21 Minuten, was den Beginn des stationären Taupunktwerts darstellt (bei 21 Minuten beträgt der Taupunkt = 5,1 °C), dann werden aus der gleichen Überlegung 280 gH2O innerhalb von MOF-801 adsorbiert. Obwohl dies 7 % weniger adsorbierte Wassermenge bedeutet, ist der zeitliche Unterschied erheblich. Darüber hinaus wurden die Starts der stationären Taupunktwerte für Messungen bei 18 und 15 % relativer Luftfeuchtigkeit auch in Bezug auf die Zeit (17,5 und 15 Minuten) identifiziert und mit der Menge an adsorbiertem Wasser (jeweils 220 und 180 gH2O) korreliert. Wir stellen fest, dass das Schließen des 5-mm-Auslasses im Kondensationsfach Luft zurück in das Lufteinlassfach drückt, was zu einer Verlängerung der Adsorptionszeit um 12–27 Minuten führt. Da das Profil der Wassersorptionsisotherme für MOF-801 (Abb. 3a Einschub) darauf hinweist, dass die Gesamtaufnahmesättigung bei ca. auftritt. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40 % liefern die in diesem Experiment gemessenen relativen Luftfeuchtigkeiten eine zufriedenstellende Darstellung der Adsorptionsleistung des Materials. Aus diesen Daten wurde ein Algorithmus entwickelt, um sicherzustellen, dass die Adsorptionsphase des WHC mit der minimal erforderlichen Adsorptionszeit läuft, die erforderlich ist, um den Beginn des stationären Taupunkts unter allen Umgebungsbedingungen zu erreichen (siehe Ergänzende Anmerkung 4).

a Die Taupunktreaktion des Kondensationsraums für die Adsorptionsphase in einem WHC. Dargestellt ist die relative Adsorptionszeit, die für eine Reihe von Umgebungsbedingungen benötigt wird: 15 (violette Kreise), 18 (grüne Quadrate) und 26 % relative Luftfeuchtigkeit (blaue Dreiecke). Diese Adsorptionsmessungen wurden über einen Temperaturbereich von 35–40 °C durchgeführt. Der Einschub zeigt die Wassersorptionsisotherme für MOF-801 bei 25 °C, wobei die Wasseraufnahmekapazität entsprechend denselben Umgebungsbedingungen hervorgehoben ist. b Die Taupunktreaktion der Desorptionsphase als Funktion der relativen Heizzeit, aufgezeichnet im Kondensationsfach für verschiedene Umgebungsbedingungen: 14 (orangefarbene Sterne), 30 (rosa Quadrate), 34 (blaue Dreiecke) und 45 % relative Luftfeuchtigkeit (violette Kreise). . Diese Desorptionsexperimente wurden in einem Temperaturbereich von 20–25 °C durchgeführt. Quelldaten werden als Quelldatendatei bereitgestellt.

Die Überwachung des Zeitpunkts der Desorptionsphase ist relativ einfach. Das Gerät wurde für diese Messung vorbereitet, indem eine Adsorptionsphase durchgeführt wurde, um sicherzustellen, dass MOF-801 (400 g) vollständig mit Wasser gesättigt war. Zu Beginn der Desorptionsphase und der Überwachung des am Kondensationsfach angebrachten Sensors setzte MOF-801 Wasserdampf aus seinen Poren frei, indem beobachtet wurde, wie der Taupunkt der Luft auf ein Maximum anstieg. Das Erreichen dieses Maximums signalisierte letztendlich das Ende der Desorptionsphase. Zu diesem Zeitpunkt war eine allmähliche Abnahme zu beobachten, bis dieser interne Taupunktwert dem externen Taupunktwert entsprach (Abb. 3b). Wir stellen fest, dass die Desorptionsphase bei niedrigen Temperaturen (20–25 °C) und unterschiedlicher relativer Luftfeuchtigkeit (14, 30, 34 und 45 % rF) getestet wurde, wobei alle Messungen das gleiche Verhalten zeigten, jedoch mit unterschiedlichen Änderungsraten Taupunkt. Im Allgemeinen führte eine höhere relative Luftfeuchtigkeit zu einer höheren Wasseraufnahme und erforderte eine längere Desorptionszeit. Gemäß der Wassersorptionsisotherme von MOF-801 beträgt ca. 79 % der gesamten Aufnahmekapazität werden bei 20 % relativer Luftfeuchtigkeit erreicht. Dies bedeutet, dass bei einer relativen Luftfeuchtigkeit > 20 % der Zeitpunkt der Desorptionsphase relativ gleich ist, sich jedoch bei einer relativen Luftfeuchtigkeit < 20 % deutlich unterscheidet (Abb. 3b). Ähnlich wie in der Adsorptionsphase wurde beim Schließen des 5-mm-Auslasses im Kondensationsfach eine Verlängerung der Desorptionszeit um 14–32 Minuten beobachtet, was zu einer Verringerung der Wasserproduktion im Zyklus-1 von 7–19 ml führte. Aus diesen Messungen wurde ein zweiter Algorithmus entwickelt, um die Heizzeit mit den äußeren Bedingungen (dh relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur) und der Leistung (W) der verwendeten elektrischen Heizung zu korrelieren (siehe Ergänzende Anmerkung 4).

Unter Verwendung von RH- und Temperaturdaten von Sensoren, die im gesamten Gehäuse positioniert sind, wendet das Gerät die beiden adaptiven Adsorptions- und Desorptionsphasenalgorithmen an, um die Zeitabläufe dieser Phasen als Funktion der äußeren Umgebungsbedingungen (z. B. RH und Temperatur) zu steuern. Um die Leistung dieses adaptiven Betriebsmodus im Vergleich zum vorherigen aktiven Modus zu bewerten, haben wir zwei identische Geräte mit 400 g MOF-801 beladen und den Betrieb jedes Geräts gemäß den ergänzenden Abbildungen programmiert. 26 und 31. Unter den gleichen Bedingungen ist die Leistung beider Geräte in Bezug auf die Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit als Funktion der Zeit in Abb. 4a, b für eine Gesamtzeit von 14 Stunden dargestellt, die einen Teil des Tages bis in die Nacht umfasst. In diesem Zeitraum wurden die niedrigsten und höchsten externen relativen Luftfeuchtigkeiten mit 19 % bzw. 46 % gemessen. Interessanterweise war der erste Zyklus des adaptiven Geräts bei Außenbedingungen von 23 % relativer Luftfeuchtigkeit und 25 °C 46,5 Minuten schneller als der des aktiven Geräts, was seine Fähigkeit zur Anpassung und Verbesserung der WHC-Rate demonstriert.

a Reaktion der relativen Luftfeuchtigkeit (RH) für die aktiven (orange) und adaptiven (lila) Geräte, die während eines beliebigen Teils desselben Tages unter denselben Umgebungsbedingungen (20–46 % rF) betrieben werden. Die Zykluszeit zeigt die optimierte Leistung des adaptiven Geräts über den Tag hinweg, wobei pro Zyklus weniger Zeit verbraucht wird. b Zeitdifferenzprofil zwischen den von den adaptiven und aktiven Geräten durchgeführten Zyklen mit sich im Laufe des Tages ändernder relativer Luftfeuchtigkeit in der Umgebung. Wenn die relative Luftfeuchtigkeit der Umgebung zunimmt (blau), nimmt die Differenz zwischen adaptiver und aktiver Zykluszeit ab (grün). c Die konzeptionellen Prinzipien, die den Unterschieden in den Zyklenraten für adaptive und aktive Geräte zugrunde liegen. Bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit wird die vorprogrammierte Adsorptionsphase des aktiven Geräts (orange) nach Erreichen der maximalen Aufnahmekapazität des Materials verschwendet. Im adaptiven Gerät (lila) beginnt sofort die Desorptionsphase, sobald die maximale Aufnahmekapazität des Materials während der Adsorptionsphase erreicht ist. d Bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit ist der Zeitpunkt der vorprogrammierten Adsorptionsphase (orange) eines aktiven Geräts kürzer als die Zeit, die erforderlich ist, um die maximale Aufnahmekapazität des Materials zu erreichen. Das adaptive Gerät erhöht die Adsorptionsphasenzeit, um die maximale Aufnahmekapazität des Materials zu erreichen und mehr Wasser zu produzieren. Die Wasseradsorptionsisotherme für MOF-801 bei 25 °C wird als Einschub bereitgestellt, um die potenzielle Aufnahmekapazität bei niedriger (rotes X) oder hoher (rotes Y) relativer Luftfeuchtigkeit mit den Zyklenraten für die adaptiven und aktiven Geräte zu korrelieren22. Quelldaten werden als Quelldatendatei bereitgestellt.

Wenn man bedenkt, dass die Wasseraufnahmekapazität eines Adsorptionsmaterials unabhängig von der verlängerten Zykluszeit durch die relative Luftfeuchtigkeit begrenzt wird, werden die Vorteile des adaptiven Betriebsmodus deutlich. Unter Bedingungen niedriger relativer Luftfeuchtigkeit erreicht das adaptive Gerät seine maximale Kapazität bei der angegebenen relativen Luftfeuchtigkeit und beginnt dann sofort mit der Desorptionsphase, ohne mehr Zeit in der Adsorptionsphase zu verbrauchen. Allerdings erreicht das Adsorbens bei aktivem Gerät unter denselben Bedingungen schneller seine maximale Kapazität. Daher wird die verbleibende vorprogrammierte Zeit für die Adsorptionsphase verschwendet. Ähnliche Überlegungen lassen sich auf die Desorptionsphase übertragen. Eine geringere Wasseraufnahme pro Zyklus im adaptiven Betriebsmodus erfordert eine kürzere Desorptionszeit als die vorprogrammierte Desorptionszeit im aktiven Betriebsmodus (Abb. 4c).

Wenn die relative Luftfeuchtigkeit im Laufe des Tages und in der Nacht ansteigt, ist der Unterschied in den Zyklusraten nicht mehr zu unterscheiden (z. B. <3 Minuten für Zyklus 9 bei 46 % relativer Luftfeuchtigkeit und 25 °C). Dies liegt daran, dass eine erhöhte relative Luftfeuchtigkeit während der Nacht die Wasseraufnahme von MOF-801 erhöht, was wiederum die Zeitabläufe der Adsorptions- und Desorptionsphasen des adaptiven Geräts verlängert (Abb. 4a). Unter Bedingungen hoher relativer Luftfeuchtigkeit erreicht der adaptive Betriebsmodus die maximale Kapazität des MOF-801 und sobald diese erreicht ist, beginnt sofort die Desorptionsphase. Unter den gleichen Bedingungen reicht der vorprogrammierte Zeitpunkt für die Adsorptionsphase des aktiven Betriebsmodus nicht aus, um die maximale Kapazität von MOF-801 zu erreichen, was zu einer geringeren Wasserproduktion führt (Abb. 4d).

Dieser Vergleich ergab, dass das adaptive Gerät unter denselben Klimabedingungen 26 % mehr Wasser (3,52 LH2O kgMOF-801−1 d−1) produziert als unser aktives Gerät (2,6 LH2O kgMOF-801−1 d−1). Beispielsweise betrug in Zyklus 3 der RH-Unterschied während der Adsorptionsphase des adaptiven Geräts 39 % im Vergleich zu 28 %, die für das aktive Gerät berechnet wurden. Dies ist eine 36-prozentige Steigerung der Wasseradsorption durch MOF-801 während dieses WHC. In ähnlicher Weise betrug in Zyklus 3 der RH-Unterschied während der Desorptionsphase des adaptiven und des aktiven Geräts 37 % bzw. 26 %, was einem Anstieg des vom adaptiven Gerät desorbierten Wassers um 45 % entspricht. Aufgrund der erhöhten WHC-Raten erzielte das adaptive Gerät im Vergleich zum aktiven Gerät eine Reduzierung des Stromverbrauchs pro WHC um 44 % (20 %). Beim Betrieb unter Bedingungen hoher relativer Luftfeuchtigkeit (46 %) konnte durch das adaptive Gerät im Vergleich zum aktiven Gerät eine Reduzierung des Stromverbrauchs pro WHC um 26 % erreicht werden. Insgesamt verbrauchte das adaptive Gerät 1,67–5,25 kWh LH2O−1 basierend auf den Wetterbedingungen an diesem bestimmten Tag (19–46 % relative Luftfeuchtigkeit) und sparte erheblich Zeit, indem es 1,5 Zyklen weniger benötigte als das aktive Gerät. Abbildung 4b zeigt die Variation der Zykluszeit, wenn die relative Luftfeuchtigkeit im Laufe des Tages variiert.

Im Vergleich zu anderen Adsorptionsmittel-gesteuerten Wassergewinnungsgeräten reduziert unser MOF-801-basiertes adaptives Gerät die Menge an Adsorptionsmaterial, die zur Produktion von ausreichend Wasser für den täglichen persönlichen Bedarf (3,5 l) erforderlich ist, um 75 %, 73 % und 57 %. in Bezug auf Geräte, die auf superfeuchtigkeitsabsorbierenden Gelen, superhygroskopischen Polymerfilmen bzw. hygroskopischen Salzen in einer von einem Hydrogel abgeleiteten Matrix basieren (Tabelle 1)26,27,28. Darüber hinaus reduziert unser adaptives Gerät den Energieverbrauch drastisch um 60 % im Vergleich zum Benchmark-Gerät, das auf superhygroskopischen Polymerfolien basiert und gleichzeitig einen kleineren physischen Platzbedarf beibehält (Tabelle 1).

Es ist bekannt, dass die Wasserproduktion direkt von der MOF-Menge in Wassersammlern abhängt, die im passiven Modus arbeiten. Die direkte Abhängigkeit vom aktiven Betriebsmodus ist jedoch unklar und muss aufgrund der Einschränkungen der Fachgröße und der Stromverbrauchsanforderungen bei der Vergrößerung dieser Größe noch nachgewiesen werden. Um diese Abhängigkeit im adaptiven Betriebsmodus zu bewerten, wurde ein Kontrollexperiment durchgeführt, bei dem die Wasserproduktionsleistung mit der in das Gerät geladenen MOF-801-Menge korreliert wurde. Konkret wurde das Gerät schrittweise mit MOF-801 beginnend von 0 g (leeres Gerät) auf 100, 200 und 400 g beladen und anschließend unter kontrollierten Umgebungsbedingungen von 20, 30 und 40 % relativer Luftfeuchtigkeit betrieben. Die Wasserproduktion für das mit jeder Menge beladene (oder nicht beladene) Gerät wurde dreimal 24 Stunden lang für jede kontrollierte Klimabedingung gemessen, wobei die durchschnittliche Leistung in der ergänzenden Abbildung 32 dargestellt ist. Bei 50 % relativer Luftfeuchtigkeit und 400 gMOF-801 produzierte das Gerät 870 mLH2O im Vergleich zu 420 und 190 mLH2O bei Verwendung von 200 bzw. 100 gMOF-801. Wenn das Gerät leer war (0 g MOF-801), wurde der Kondensator auf 8–11 °C eingestellt (d. h. der Taupunkt bei Verwendung von MOF; Abb. 2), was zu einer Wasserproduktion von <2 ml führte. Ein ähnlicher Trend wurde für die anderen gemessenen Bedingungen beobachtet und die Abhängigkeit der MOF-Menge von der Wasserproduktion wurde festgestellt.

Basierend auf diesem Experiment benötigt unser Gerät ca. 1,6 kgMOF, um ausreichend Wasser für den persönlichen Bedarf zu produzieren, was deutlich weniger ist als der Bedarf für gemeldete MOF-basierte aktive Wassersammelgeräte (≥2,9 kgMOF erforderlich) und 12–35 kgMOF passive Geräte benötigen, um die gleiche Produktionsmenge zu erreichen (Tabelle 1). Zusammen mit den Überlegungen zur Fachgröße ist das physische Design unseres Geräts eindeutig von Vorteil.

Langfristige Wasserstabilität und Sorptionsvermögen sind Voraussetzungen für den Einsatz von MOFs in Wassergewinnungsanwendungen29. Obwohl die physikalisch-chemischen Eigenschaften von MOFs eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung ihrer Lebensdauer spielen, muss die Gerätetechnik als potenzieller Einfluss (positiv oder negativ) auf die Eigenschaften des MOFs und die daraus resultierende Nutzungslebensdauer betrachtet werden. Beispielsweise kann das Gerät die Wärmeübertragung und den Luftstrom optimieren, wodurch die Belastung des MOF-Materials verringert wird. Darüber hinaus stellt die adaptive Betriebsart sicher, dass die Taktraten zu maximaler Leistungsausbeute führen, ohne die Materialstabilität zu überfordern. Um die Langzeitleistung unseres adaptiven Geräts zu demonstrieren, führten wir einen 24-Stunden-Stresstest unter extremen Bedingungen (22 % relative Luftfeuchtigkeit und 25 °C) durch, nachdem das Gerät >1000 Zyklen durchgeführt hatte (entspricht ca. 1 Jahr Betrieb). Wie in Abb. 5a gezeigt, produzierte das adaptive Gerät eine beträchtliche Menge Wasser pro WHC (40 ml Zyklus−1). Um die strukturelle Stabilität von MOF-801 zu bestätigen, wurde nach Abschluss dieses Belastungstests eine Pulver-Röntgenbeugungsanalyse durchgeführt, die bestätigte, dass die Kristallinität von MOF-801 erhalten blieb und das Beugungsmuster mit dem simulierten Muster des Einkristalls übereinstimmte Struktur (siehe Ergänzende Anmerkung 6).

ein Stresstest über 24 Stunden, durchgeführt in einer kontrollierten Umgebung (20 % relative Luftfeuchtigkeit und 25 °C). Das adaptive Gerät sorgt für eine gleichmäßige Wasserproduktion ohne Leistungsverlust. b Leistungsbewertung in realen Umgebungen für einen ganzen Tag, die die adaptive Leistung als Funktion von Tag-Nacht-Schwankungen der Umgebungsbedingungen zeigt. c Kontinuierliche Leistung unter realen Bedingungen für eine Woche. d Überwachung der Reaktion des Kondensationsfachs, um die Leistung des adaptiven Geräts für einen Monat Dauerbetrieb zu demonstrieren. Alle Daten wurden auf dem adaptiven Gerät gesammelt, nachdem es >1000 Zyklen durchgeführt hatte, was ca. entspricht. 1 Jahr Betrieb. Quelldaten werden als Quelldatendatei bereitgestellt.

Im Allgemeinen ist die atmosphärische Wassergewinnung in Wüsten- und Trockenregionen aufgrund der niedrigen relativen Luftfeuchtigkeit schwierig, wenn nicht sogar praktisch unmöglich für andere herkömmliche Wassergewinnungstechnologien17,30. Dies liegt daran, dass herkömmliche Wassergewinnungstechniken (z. B. direkte Luftkühlung, Kondensation, Vernebelung) eine enorme Energiemenge erfordern, um unter diesen Klimabedingungen wirksam zu sein8,31. Der Reiz der Wassergewinnung auf MOF-Basis besteht darin, dass diese Materialien Wasserdampf bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit selektiv einfangen, konzentrieren und freisetzen können, um den Taupunkt für Kondensationszwecke zu erhöhen17. Um den Nutzen unseres adaptiven Geräts zu demonstrieren, führten wir daher ein Experiment durch, bei dem das Gerät (400 g MOF-801) 24 Jahre lang natürlicher Wüstenluft in Amman, Jordanien (17 % relative Luftfeuchtigkeit und 25 °C) ausgesetzt wurde H.

Bei diesem Experiment haben wir beobachtet, dass das adaptive Gerät während der niedrigen relativen Luftfeuchtigkeit des Wüstentages 52 ml Zyklus-1 produzierte, was angesichts der extremen Wüstenklimabedingungen von Bedeutung ist. Die Produktionsmenge verdoppelt sich pro WHC während der höheren RH-Bedingungen (50–60 % RH) der Wüstennacht (105 ml-Zyklus−1). Um dieses Experiment weiter voranzutreiben, haben wir das Gerät eine Woche lang ununterbrochen in einer trockenen Wüstenumgebung betrieben, die dann auf > einen ununterbrochenen Monat verlängert wurde. Wie in Abb. 5b–d dargestellt, reagierte das adaptive Gerät effektiv auf die täglichen Änderungen der Wetterbedingungen und produzierte unter schwierigen Wüstenbedingungen kontinuierlich beträchtliche Mengen an flüssigem Wasser.

Bevor das kondensierte Wasser für den persönlichen Gebrauch verwendet werden kann, wurde das Wasser durch Schwerkraft gefiltert und durch eine Säule mineralisiert, die abwechselnde Schichten (2–3 mm) aus Aktivkohle, Sand und Kalkstein enthielt. Anschließend wurde eine umfassende Wasseranalyse des gesammelten Wassers durchgeführt, um festzustellen, ob es den nationalen Trinkstandards Jordaniens entsprach. Die erste Analyse folgte den Standardmethoden zur Untersuchung von Wasser und Abwasser (SM 3120-B, 4110-B, 3111-B und 31112-B), bei denen die Identifizierung und Konzentration von Metallen durch induktiv gekoppelte optische Emissionsspektroskopie bestimmt wurde. Konkret wurde das Wasser auf Folgendes analysiert: Al (<0,1 ppm), Na (5,7 ppm), Pb (<0,01 ppm), Cd (<0,003 ppm), Cu (<0,05 ppm), Mn (<0,05 ppm), As (<0,01 ppm), Zn (3,58 ppm), Fe (<0,1 ppm), Sb (<0,002 ppm), Mo (<0,01 ppm), Zr (<0,1 ppm), B (<0,1 ppm), Se (< 0,04 ppm), Ba (<0,1 ppm), Cr (<0,02 ppm), Hg (<0,001 ppm), Ag (<0,1 ppm) und Ni (<0,05 ppm). Wie bereits erwähnt, lagen alle unter den Spezifikationsgrenzen der nationalen Trinknormen. Anschließend wurde der Gehalt an flüchtigen organischen Verbindungen nach den gleichen Standardmethoden bestimmt. Hierzu wurden die Konzentrationen von Benzol (<10 ppm), Gesamtxylol (<20 ppm), Trichlorethen (<20 ppm), Tetrachlorethen (<20 ppm), Ethylbenzol (<20 ppm) und Toluol (<20 ppm) ermittelt Es wurde festgestellt, dass der Wert unter den Spezifikationsgrenzen liegt. Abschließend wurde eine mikrobiologische Analyse (SM 9213 E, 9230 B, 10200, 9215 AB) durchgeführt, bei der der Gehalt an Pseudomonas aeruginosa (<1 koloniebildende Einheit 100 ml−1; KBE) und fäkalen Streptokokken (<1,1 höchstwahrscheinlich) ermittelt wurde Anzahl; 100 ml-1; MPN), fäkale Enterokokken (<1,1 MPN 100 ml-1), Algentyp und -zahl (nicht gesehen); und die heterotrophe Keimzahl (8,3 × 102 KBE ml–1) wurden so bestimmt, dass sie den nationalen Standards entsprechen. Detaillierte Ergebnisse und die Zertifizierung des gesammelten Wassers zur Einhaltung der jordanischen Trinkwasserstandards finden Sie in der Ergänzenden Anmerkung 7.

Basierend auf einer theoretischen Produktion von 100 Geräten haben wir die Kosten für die Herstellung eines einzelnen Geräts, das mit 1 kg MOF-801 beladen ist, auf ca. 625 USD (siehe Ergänzende Anmerkung 8). Unter der Annahme einer Gerätelebensdauer von 10 Jahren und der durchschnittlichen Wasserproduktion für das adaptive Wassernutzungsgerät pro Tag (2,65 l) wird bei diesen Produktionskosten der netzunabhängige Preis pro produziertem LH2O voraussichtlich 6,4 US-Cent betragen und die Gerätekosten betragen pro Tag der Nutzung beträgt 17 US-Cent. Unter der Annahme, dass das adaptive Wassernutzungsgerät 1,67–5,25 kWh L−1 verbraucht, um 1,8–3,5 L LH2O d−1 zu produzieren, und der kWh-Preis in Jordanien ca. 0,10 USD, der Netzpreis pro LH2O liegt zwischen 0,17 und 0,53 USD, was zwar hoch erscheint, aber immer noch niedriger ist als bei kommerziellen Wasserquellen (siehe Ergänzende Anmerkung 8).

Unter der Voraussetzung der relativen Luftfeuchtigkeit (>10 % relative Luftfeuchtigkeit) kann unser adaptives Gerät weltweit, mit Ausnahme des Polarkreises und der Antarktis, eingesetzt werden, um den Wasserbedarf von mehr als 2 Milliarden Menschen zu decken, die keinen Zugang zu sicher verwaltetem Trinkwasser haben Wasser (SMDW)32. Um unsere Kostenanalyse in eine globale Perspektive zu stellen, wurde daher eine zufällige Auswahl von Ländern ausgewählt, die eine Einkommensklassifizierung der unteren mittleren (Marokko und Nigeria) und oberen mittleren (Mexiko und Jordanien) repräsentieren. Tatsächlich leben 31–40, 71–80, 51–60 bzw. 11–20 % der Bevölkerung Marokkos, Nigerias, Mexikos und Jordaniens ohne SMDW und könnten vom Zugang zu dieser Technologie profitieren (Tabelle 2)32 . Berücksichtigt man die Produktionskosten zusammen mit den netzgebundenen Stromkosten für diese Länder, kann unser adaptives Wassernutzungsgerät in Marokko, Nigeria, Mexiko finanzielle Einsparungen von bis zu 49 %, 63 %, 63 % und 46 % der Wasserkosten ermöglichen. bzw. Jordanien (Tabelle 2).

Schwankungen der atmosphärischen Bedingungen haben erhebliche Auswirkungen auf den Wassergewinnungsprozess im Hinblick auf die Effizienz der Wasserproduktion und den Stromverbrauch. Durch die Entwicklung des adaptiven Modus der Wassergewinnung zeigen wir, wie ein MOF-basiertes Gerät umweltverträglich und anpassungsfähig sein kann. Dies führte zu erheblichen Leistungssteigerungen, insbesondere zu einer Steigerung der Wasserproduktivität um 169 % und einer Reduzierung des Stromverbrauchs um 44 % im Vergleich zu den gemeldeten Geräten auf dem neuesten Stand der Technik. In Zukunft wird die Maximierung des Wärme- und Stofftransfers durch optimierte Luftströmungsdynamik (z. B. Wirbelschicht, Formkörper) zu einer weiteren Nutzung der Sorptionseigenschaften von MOFs für die praktische Wassergewinnung führen. Darüber hinaus wird die Überwachung der Leistung adaptiver Wassernutzungsgeräte über Zeiträume von mehr als einem Jahr Einblick in die Fähigkeit dieser Geräte geben, auf mehrere saisonale Klimaveränderungen zu reagieren. Alles in allem wird die Verknüpfung der Ergebnisse dieser künftigen Untersuchungen mit einem adaptiven Betriebsmodus ein Wassergewinnungsgerät hervorbringen, das jedem, überall und jederzeit, Wassersicherheit und Unabhängigkeit bieten kann.

Das Wasserauffanggerät besteht aus drei rechteckigen prismatischen Fächern, die durch zellgegossene Acrylplatten (Moden Glas) als Wände zusammengehalten werden. Als Basis des Gerätes dient eine Acrylplatte (1 × 0,6 m, 5 mm Dicke), die sich über alle drei Fächer erstreckt. Der Boden verfügt über regelmäßig geschnittene Schlitze (40 × 5 mm), um die Wände jedes Fachs an Ort und Stelle zu halten. Das erste Fach („Lufteinlassfach“) besteht aus 4 gegossenen Acrylglasplatten als Wänden (280 × 280 × 200 mm, 5 mm Dicke). Die innere Vorderwand ist mit Gummi ausgekleidet und durch vorgefertigte, verschraubte Facetten mit der Ober- und Seitenwand verbunden, um einen einfachen Zugang zum Fach zu ermöglichen. Diese Wand verfügt über ein 230 × 250 mm großes Fenster, das mit einem CO2-Laserschneider (Trotec Speedy 400) geschnitten wurde und mit einem Luftfilter (M-Filter Nr. K418) ausgestattet ist. Die restlichen Ober- und Seitenwände werden mittels Chloroform miteinander versiegelt. Im Lufteinlassraum sind ein elektrischer Kupferheizkörper mit Aluminiumrippen (500 W) und ein einphasiger Wechselstromventilator (Orix Nr. MRS18-DC-F6) hintereinander neben dem Luftfilter angebracht. Das zweite Fach („Sorptionsfach“) ist direkt mit dem Lufteinlassfach verbunden und besteht aus 5-zelligen gegossenen Acrylplatten wie folgt: (i) gemeinsame Wand mit Lufteinlassfach: 290 × 370 mm mit 8, 270 × 8,5 mm Schlitze, die per Laser geschnitten sind, um den Luftstrom zu lenken; (ii) Rückwand: 290 × 478 mm; (iii) obere Wand: 300 × 400 mm; (iv) Vorderwand: 290 × 478 mm; und (v) gemeinsame Wand mit dem dritten Fach („Kondensationsfach“): 290 × 370 mm mit 8, 270 × 8,5 mm großen, lasergeschnittenen Schlitzen zur direkten Luftströmung. Die Vorderwand ist mit Gummi ausgekleidet und durch vorgefertigte Facetten mit der Ober- und Seitenwand verbunden, die verschraubt sind, um einen einfachen Zugang zum Fach zu ermöglichen. Die restlichen Ober- und Seitenwände werden mittels Chloroform miteinander versiegelt. Der Sorptionsraum besteht aus 8 gegossenen Acrylschalen (470 × 360 mm), die jeweils mit einer Aluminiumauskleidung (2 mm Dicke) versehen sind, um die Wärmeübertragung zu erleichtern. Die Tabletts werden durch Acrylregale parallel zum Luftstrom gehalten, die unter Reihen von Luftstromschlitzen angebracht sind, die an den beiden gemeinsamen Wänden befestigt sind. Der Kondensationsraum besteht aus dreizelligen gegossenen Acrylplatten (280 × 280 × 200 mm, 5 mm Dicke) und verfügt im Inneren über einen dreischichtigen Kondensator mit Aluminiumrippen (250 × 250 mm). Dieser Kondensator ist in einen Edelstahltrichter (250 × 100 mm) eingebaut, der dazu dient, kondensiertes flüssiges Wasser zu sammeln und zur darunter liegenden Mineralisierungs- und Filtereinheit zu transportieren. Dieser Kondensator ist der Verdampfer eines größeren Kompressions-Kühlkreislaufs und daher über Kupferrohre (1/4 Zoll) mit einem Kühlkompressor (1/3 PS, Modell Nr. GFF86AA; Siberia Co.) mit zwei Leitungen verbunden Aluminium-Lamellenkondensator mit angeschlossenem Kühlventilator (250 × 250 mm; 5 W) und einem Expansionsrohr. Dieser Kompressor wurde mit R-134a als Arbeitsmedium (Schild-Kältemittel) betrieben. Der Kondensationsraum war über einen in den Boden gebohrten 5-mm-Lochauslass zur Atmosphäre hin halboffen. Um die Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit im gesamten Gerät zu überwachen, wurden 4 Löcher (20 mm Durchmesser) per Laser in die folgenden Wände geschnitten: (i) obere Wand des Lufteinlassfachs in einer Position 70 mm nach der Heizung; (ii) Vorderwand des Sorptionsfachs in zentrierten Positionen auf der Ober- und Unterseite dieser Wand; (iii) obere Wand des Kondensationsfachs in einer Position von 70 mm vor dem Kondensator. Diese Löcher wurden zur Befestigung der Sensorsonden (Logitech, RCW800 Wi-Fi) vorbereitet. Zur Überwachung der äußeren Umgebungsbedingungen wurde eine zusätzliche Sensorsonde eingesetzt. Das gesammelte Wasser aus der Kondensationseinheit wird sofort in eine Glassäule (30 × 150 mm; L × T) eingespeist, die abwechselnd mit Schichten aus Kalkstein, Sand und Aktivkohle gefüllt ist. Anschließend wird das Wasser durch Schwerkraft gefiltert, mineralisiert und in einem antimikrobiellen 5-Liter-Ballon gesammelt. Detaillierte Schaltpläne finden Sie in der Ergänzenden Anmerkung 1.

Details zur MOF-Synthese und -Charakterisierung sind in der Ergänzenden Anmerkung 1 aufgeführt.

Die Funktionsweise der aktiven Wassergewinnung basiert auf einem einfachen Adsorptions-Desorptions-Zyklus. In einem typischen Betrieb werden der Lüfter und der Kondensator mit einer Leistung von 54,5 bzw. 184 W 40 Minuten lang aktiviert. Dadurch wird das MOF-Material einem externen Luftstrom ausgesetzt, um die Adsorption von Wasserdampf zu erleichtern. Der Kondensator wurde auf eine willkürliche Temperatur eingestellt, die weit unter dem Taupunkt der Umgebung lag. Nach 40 Minuten wird die Heizung für 20 Minuten aktiviert, um die Desorption einzuleiten. Da der Lüfter und der Kondensator aktiv bleiben, verbraucht diese Stufe 239 W Leistung. Die erhitzte Luft erreichte durchschnittlich 45 °C, als sie den Sorptionsraum mit dem MOF-Material erreichte. Zu Beginn der Desorptionsphase des aktiven Zyklus bilden sich sofort Wassertröpfchen. Diese werden während der gesamten Desorptionsstufe und in der Adsorptionsstufe des nächsten aktiven Zyklus durch Schwerkraft gesammelt und gefiltert. Nach insgesamt 60 Minuten (40 bzw. 20 Minuten für Adsorption und Desorption) ist ein aktiver Zyklus abgeschlossen. Theoretisch können unabhängig von den äußeren Umgebungsbedingungen 24 aktive Zyklen in 1 Tag durchgeführt werden. Detaillierte Messverfahren finden Sie in der Ergänzenden Anmerkung 3.

Der umgebungsadaptive Betriebsmodus der Wassergewinnung baut auf dem aktiven Modus auf, da jeder Zyklus eine Adsorptions- und Desorptionsstufe ist. Der Unterschied besteht jedoch in der Zeit und der Reaktionsfähigkeit der einzelnen Phasen. Unter Verwendung historisch gesammelter Daten des aktiven Geräts wurde ein Algorithmus entwickelt und auf das umgebungsadaptive Wassernutzungsgerät angewendet, indem ein uno R-3-Mikrocontroller (Arduino), ein Mini-Steckbrett (400 Verbindungspunkte), 3-Relais-Module (5) verwendet wurden V Gleichstrom 1-Kanal; Songle) und ein externer digitaler Temperatur- und relativer Luftfeuchtigkeitssensor (Aosong, Nr. AM2315). Im umgebungsadaptiven Wassernutzungsmodus beginnt die Adsorptionsphase damit, dass der Lüfter und der Kondensator, die jeweils 54,5 bzw. 184 W Leistung verbrauchen, für einen vorgeschriebenen Zeitraum aktiviert werden, der auf den äußeren Umgebungsbedingungen basiert. Die eingestellte Kondensatortemperatur variierte in Abhängigkeit vom aus den Umgebungsbedingungen berechneten Taupunkt. Die Desorptionsphase begann dann mit der Aktivierung der Heizung für einen vorgeschriebenen Zeitraum basierend auf dem adaptiven Algorithmus. Die erwärmte Luft erreichte je nach äußeren Umgebungsbedingungen unterschiedliche Temperaturen. Zu Beginn der Desorptionsphase bilden sich sofort Wassertröpfchen, die durch die Schwerkraft gesammelt und durch die gesamte Desorptionsphase und in die Adsorptionsphase des nächsten adaptiven Zyklus gefiltert werden. Im Allgemeinen kann der umgebungsadaptive Wassergewinnungsmodus über die relative Luftfeuchtigkeitsskala hinweg, insbesondere bei relativer Luftfeuchtigkeit < 20 %, erheblich mehr Zyklen durchführen (d. h. mehr Wasser erzeugen) als sein aktives Gegenstück. Detaillierte Messungen und gesammelte Daten finden Sie in der Ergänzenden Anmerkung 4.

Die Autoren erklären, dass alle Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, im Artikel und seinen Zusatzinformationen oder auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich sind. Quelldaten werden mit diesem Dokument bereitgestellt.

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Die Autoren danken der Royal Scientific Society für die finanzielle Unterstützung dieser Arbeit (KEC). Weitere Unterstützung wurde von MISTI Global Seed Funds und dem MIT-Jordan Abdul Hameed Shoman Foundation Seed Fund (Nr. 0000000093; KEC) sowie der Alliance of International Science Organizations (ANSO-CR-PP-2020-06; KEC und BM) bereitgestellt. . Das Synchrotron-Licht für experimentelle Wissenschaft und Anwendungen im Nahen Osten (SESAME; MS Beamline Nr. 20190028 und 20210003; KEC) für Strahlzeit und Dr. Mahmoud Abdellatief (SESAME) für seine Unterstützung. Ing. Iyad Al-Dasouqi (RSS), Eng. Bara'a Ahmed (RSS), Eng. Omar Abu Zaid (RSS) und Eng. Osama Abu Al-Hija (RSS) danken wir für seine Unterstützung bei der Sicherung von Vorräten und Instrumentenzeit sowie für hilfreiche Diskussionen.

Materials Discovery Research Unit, Advanced Research Centre, Royal Scientific Society, Amman, 11941, Jordanien

Husam A. Almassad, Rada I. Abaza, Lama Siwwan, Bassem Al-Maythalony und Kyle E. Cordova

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Konzeptualisierung: KEC; Datenkuration und formale Analyse: HAA, RIA und LS; experimentelles Design, Validierung und Untersuchung: HAA, RIA, LS und BAM; Projektverwaltung, Finanzierungseinwerbung und Ressourcen: KEC und BAM; Originalentwurf: KEC und HAA; Überprüfung und Bearbeitung: HAA, RIA, LS und BAM. Alle Autoren haben das Manuskript gelesen und genehmigt und der Veröffentlichung zugestimmt.

Korrespondenz mit Kyle E. Cordova.

Ein Patent wurde angemeldet: Royal Scientific Society (Patentanmelder), KEC und HAA (Erfinder), PCT-Anmeldungs-Seriennr. PCT/JO2022/050012 mit Prioritätsdatum 26. Juli 2021, das mehrere Ausführungsformen von Wassergewinnungsgeräten sowie aktive und adaptive Methoden der atmosphärischen Wassererzeugung abdeckt. KEC ist Gründer und HAA Mitarbeiter von Green Oasis for Research and Development, LLC und AquaPoro Ventures, Ltd., zwei Unternehmen, die die Kommerzialisierung der hier beschriebenen Technologie anstreben. KEC und HAA erklären keine weiteren konkurrierenden Interessen. Die übrigen Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.

Nature Communications dankt den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Almassad, HA, Abaza, RI, Siwwan, L. et al. Umweltadaptives MOF-basiertes Gerät ermöglicht kontinuierliche, selbstoptimierende atmosphärische Wassergewinnung. Nat Commun 13, 4873 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32642-0

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Eingegangen: 22. April 2022

Angenommen: 09. August 2022

Veröffentlicht: 19. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32642-0

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