MOF ambientalmente adaptável

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4873 (2022) Citar este artigo

8910 Acessos

13 Citações

73 Altmétrica

Detalhes das métricas

A coleta de vapor d'água de ambientes áridos e desérticos por meio de dispositivos baseados em estruturas metálicas orgânicas (MOF) para fornecer água líquida limpa depende criticamente do ambiente e das condições climáticas. No entanto, os dispositivos relatados ainda não foram desenvolvidos para se adaptar em tempo real a tais condições durante sua operação, o que limita severamente a eficiência da produção de água e aumenta desnecessariamente o consumo de energia. Aqui, relatamos e detalhamos um modo de operação de coleta de água, denominado 'coleta de água adaptável', a partir do qual um dispositivo baseado em MOF é capaz de adaptar as fases de adsorção e dessorção de seu ciclo de coleta de água às flutuações climáticas ao longo de um determinado dia, semana e mês de forma que sua eficiência na produção de água seja continuamente otimizada. Em experimentos de avaliação de desempenho em um deserto, clima árido (17–32% de umidade relativa), o dispositivo adaptativo de coleta de água atinge um aumento de 169% na produção de água (3,5 LH2O kgMOF−1 d−1) quando comparado ao melhor desempenho, dispositivo ativo relatado (0,7–1,3 LH2O kgMOF−1 d−1 a 10–32% de umidade relativa), um menor consumo de energia (1,67–5,25 kWh LH2O−1) e economiza tempo ao exigir quase 1,5 ciclos a menos do que uma contraparte ativa dispositivo. Além disso, a água produzida atende aos padrões nacionais de consumo de um país potencial para adoção de tecnologia.

Seis bilhões de pessoas enfrentarão insegurança hídrica até 2050 como consequência direta da mudança climática, proteção inadequada dos recursos hídricos, expansão de práticas agrícolas irrigadas, aumento da exportação de commodities com uso intensivo de água e uma população humana crescente1,2,3. Ao tentar enfrentar a crise hídrica global, a abordagem tradicional tem sido combinar o abastecimento nacional de água com as necessidades dos usuários de água sem levar em conta as demandas totais de água1,4. Embora haja água doce suficiente disponível para atender essa demanda anualmente em nível global, as variações geográficas e temporais de demanda e disponibilidade de água são grandes, o que significa que a escassez de água ocorre e muda em épocas específicas do ano1,4. Um primeiro passo ideal seria que os países com escassez de água reduzissem a dependência de recursos hídricos externos e desenvolvessem políticas para importar produtos com uso intensivo de água que, de outra forma, esgotariam os suprimentos ou não poderiam ser produzidos domesticamente de forma sustentável1,5. De fato, isso seria impactante; de 1996 a 2005, quase um quinto da pegada hídrica global foi destinada à exportação e não ao consumo doméstico5. Paralelamente, durante esses tempos de escassez de água, meios alternativos de recuperação, criação, produção e/ou entrega de água devem ser buscados e realizados, o que inclui redução sistêmica de água não faturada, dessalinização, tratamento e reutilização de águas residuais e água colheita em diferentes formas6,7,8. Embora todas tenham se mostrado bem-sucedidas em graus variados na complementação do fornecimento de água para atender à demanda doméstica em diferentes condições ambientais e climáticas, uma tecnologia emergente – captação de água atmosférica baseada em adsorventes – se destaca por seu potencial comprovado na captura, coleta e condensação vapor de água em condições climáticas onde sua concentração é baixa (ou seja, deserto, regiões áridas)9,10,11. Na coleta de água atmosférica baseada em adsorvente, as estruturas metal-orgânicas (MOFs), uma classe de materiais cristalinos porosos estendidos, reinam supremas devido ao seu comportamento ideal de absorção de água e capacidade em umidades relativas relevantes (RH), cinética e termodinâmica favoráveis de fisiossorção, e estabilidade hidrolítica12,13,14,15,16.

Ao empregar MOFs, bem como outros materiais adsorventes, para captação de água atmosférica, dois modos de operação foram relatados para dispositivos que exploram seu uso17. O primeiro é um modo passivo, no qual a água é gerada pela exposição de um leito MOF ao ar atmosférico durante a noite, quando a UR está no máximo18,19,20,21. Durante o dia, quando a UR é mínima, o calor gerado pela luz solar é usado para dessorver a água do MOF onde é então condensada nas paredes circundantes do dispositivo passivo. O modo passivo é efetivamente um ciclo de adsorção-dessorção de 24 h e seu desempenho depende da capacidade de absorção do MOF empregado em uma determinada UR. Ao usar o MOF-801 (capacidade de absorção de água de 37% em peso a 30% de umidade relativa), um dispositivo passivo ideal funcionando com 100% de eficiência renderia 588 mLH2O kgMOF-801−1 d−1 a 30% de umidade relativa18,19,20,21, 22. Os valores relatados de geração de água variam de 100 a 300 mLH2O kgMOF-801−1 d−1, o que significa que o dispositivo passivo está operando com uma eficiência <51% de sua capacidade. Para obter uma geração de água adequada para atender às necessidades diárias de uma pessoa (≥3,5 L), deve-se usar uma quantidade consideravelmente maior de material (por exemplo, 12–35 kgMOF-801). Isso tem consequências em relação à geometria do invólucro do dispositivo e ao tamanho dos concentradores de vidro necessários para o estágio de dessorção do ciclo. Por exemplo, para gerar 3,5 L de água a 68% de umidade relativa, a área de superfície do invólucro físico de um dispositivo passivo de estágio único ou duplo precisaria ser de 10,3 ou 4,54 m2, respectivamente, o que é simplesmente muito grande e não prático18,19,20,21.

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>