in 2017, Chemici van UC Berkeley hebben aangetoond dat een nieuw MOF-ontwerp snel water uit zelfs droge lucht kan adsorberen, waardoor het kan worden gecondenseerd en verzameld om te drinken. Een MOF van de tweede generatie kan nu in 20 minuten door adsorptie en desorptie gaan, waardoor continue inzameling van meer dan een liter per dag per kilogram MOF met behulp van zonne-energie mogelijk is. De nieuwe MOF is de basis van een gepland apparaat ter grootte van een magnetron dat 7-10 liter per dag levert.

Nu waterschaarste wereldwijd een groeiend probleem is, Universiteit van Californië, Berkeley, onderzoekers zijn dicht bij de productie van een wateroogstmachine ter grootte van een magnetron waarmee je al het water dat je nodig hebt rechtstreeks uit de lucht kunt halen, zelfs in de hete, droge woestijn.

In een krant die deze week verschijnt in ACS Centrale Wetenschap , een tijdschrift van de American Chemical Society, Omar Yaghi van UC Berkeley en zijn collega's beschrijven de nieuwste versie van hun wateroogstmachine, die meer dan vijf kopjes water (1,3 liter) per dag uit lucht met een lage luchtvochtigheid kan halen voor elke kilogram (2,2 pond) waterabsorberend materiaal, een zeer poreuze substantie die een metaal-organisch raamwerk wordt genoemd, of MOF. Dat is meer dan het minimum dat nodig is om in leven te blijven.

Tijdens veldtests gedurende drie dagen in de dorre Mojave-woestijn in Californië, de oogstmachine produceerde op betrouwbare wijze 0,7 liter per kilogram absorber per dag - bijna drie kopjes schone, pure H ₂ O. Dat is 10 keer beter dan de vorige versie van de oogstmachine. De oogstmachine draait 24/7, aangedreven door zonnepanelen en een batterij.

Zelfs op de droogste dag in de woestijn, met een extreem lage relatieve vochtigheid van 7% en temperaturen boven 80 graden Fahrenheit, de oogstmachine produceerde zes ons (0,2 liter) water per kilogram MOF per dag.

"Het is algemeen bekend dat om water uit lucht te condenseren bij een lage luchtvochtigheid - minder dan 40 procent relatieve luchtvochtigheid - je de lucht moet afkoelen tot onder het vriespunt, tot nul graden Celsius, wat onpraktisch is. Met onze oogstmachine we doen dit bij een zeer lage luchtvochtigheid zonder dergelijke koeling; er is geen ander materiaal dat dat kan, " zei Yagi, een UC Berkeley hoogleraar scheikunde en co-directeur van het Kavli Energy NanoSciences Institute. "Dit is niet zoals een luchtontvochtiger, die werkt bij een hoge relatieve vochtigheid. Sommige mensen zeggen dat 0,7 liter niet veel water is. Maar het is veel water, als je geen water hebt."

Yaghi's startup, Water Harvester Inc., test nu en brengt binnenkort een apparaat ter grootte van een magnetron op de markt dat 7 tot 10 liter water per dag kan leveren:genoeg drink- en kookwater voor twee tot drie volwassenen per dag, gebaseerd op aanbevelingen van de National Academy of Sciences dat mannen 3,7 liter en vrouwen 2,7 liter vocht per dag moeten consumeren.

Een nog grotere versie van de oogstmachine, een ter grootte van een kleine koelkast, zal 200 tot 250 liter water per dag leveren, genoeg voor een huishouden om te drinken, koken en douchen. En over een paar jaar, het bedrijf hoopt een oogstmachine op dorpsschaal te hebben die 20, 000 liter per dag. Ze zouden allemaal werken op stroom van zonnepanelen en een batterij of van het elektriciteitsnet.

"We maken ultrapuur water, die potentieel breed beschikbaar kan worden gemaakt zonder aansluiting op het waternet, " zei Yagi, de James en Neeltje Tretter-leerstoel in het College of Chemistry. "Deze watermobiliteit is niet alleen van cruciaal belang voor mensen die lijden aan waterstress, maar maakt ook het grotere doel mogelijk:dat water een mensenrecht moet zijn."

De sleutel:zeer poreuze MOF's

Het geheime ingrediënt van de oogstmachine is een soort MOF uitgevonden door Yaghi en zijn UC Berkeley-collega's die gemakkelijk en snel water uit de lucht opnemen en het net zo gemakkelijk weer afvoeren zodat het water kan worden opgevangen. MOF's, die Yaghi sinds het midden van de jaren negentig ontwikkelt, zijn zo poreus dat een gram een ​​oppervlakte heeft die gelijk is aan die van een voetbalveld. Andere soorten MOF's vangen koolstofdioxide op uit rookgassen, chemische reacties katalyseren of petrochemicaliën scheiden in verwerkingsfabrieken.

The researchers came up with their first water-absorbing MOF, called MOF-801, in 2014. Water molecules in ambient air stick to the internal surface—a process called adsorption—and increase the humidity inside the MOF to a point where the water condenses even at room temperature, just as water condenses on cooler surfaces when the humidity is high. When the MOF is heated slightly, the water comes back out and can be condensed and collected.

The first harvester employing MOF-801 premiered in 2017 and was totally passive and solar powered:It sat and adsorbed water at night and gave it up the next day in the heat of the sun, with the water vapor condensing on the inside surface of the container.

By 2018, Yaghi's Berkeley team had turned that proof-of-concept device into a second-generation harvester that collected 0.07 liters—a little over 2 ounces—of water per day per kilogram of MOF during one day-night cycle in the Arizona desert, again using heat from the sun to drive the water out of the MOF.

"Although the amount of water was low, the experiment showed how water from desert air can be concentrated into the pores of the MOF, removed by mild heating with sunlight and then condensed at ambient conditions, " Yaghi said.

The 2019 model is no longer passive:It uses solar panels to power fans blowing ambient air over MOF contained within a cartridge, so that more of the MOF is exposed to air. The MOF-filled cartridge, about 10 inches square and 5 inches thick, is intersected by two sets of channels:one set for adsorbing water, the other for expelling it to the condenser, allowing continuous cycling throughout the day. The solar panels, attached to batteries so that the harvester can run at night, also power small heaters that drive the water out of the MOF.

The productivity of this new water harvester is 10 times the amount harvested by the previous device and 100 times higher than the early proof-of-concept device. No traces of metal or organics have been found in the water.

The improved productivity and shorter cycling time of the new device comes from a newly designed MOF, MOF-303, that is based on aluminum, as opposed to MOF-801, which is based on zirconium. MOF-303 can hold 30% more water than MOF-801 and can adsorb and desorb water in a mere 20 minutes under ideal conditions—something Yaghi's startup is close to achieving.

"MOF-303 does two things very well:It takes up much more water than the zirconium MOF we reported on before, and it does it much faster, " Yaghi said. "This allows water to go in and out much faster; you can pump air in and harvest the water over many cycles per day."

Yaghi gets inquiries about his harvester nearly every day from people, agencies and countries around the world, many in arid regions of the Middle East, Afrika, South America, Mexico, Australia and around the Mediterranean. The bulk of the funding for improvements to the harvester comes from Saudi Arabia's King Abdulaziz City for Science and Technology, as part of a joint KACST-UC Berkeley collaboration called the Center of Excellence for Nanomaterials and Clean Energy Applications. Desert kingdoms chronically short on water appreciate the harvester's potential, said Yaghi, who comes from another arid country, Jordanië.

"The atmosphere has almost as much water at any one time as all the rivers and lakes, " he said. "Harvesting this water could help turn dry deserts into oases."