Zázrak jménem MOF: Zařízení na solární pohon vyždímá vodu ze vzduchu  
Nový vynález šikovných inženýrů z MIT s pomocí Slunce během 12 hodin vytěží ze suchého vzduchu litry vody. S touhle věcičkou už (skoro) nikdy nezemřete žízní!

 

Zařízení na získávání vody s pomocí MOFů. Kredit: MIT / Laboratory of Evelyn Wang.
Zařízení na získávání vody s pomocí MOFů. Kredit: MIT / Laboratory of Evelyn Wang.

Představte si optimistickou budoucnost, ve které si každý dům vyrobí potřebné množství vody, prostě jenom ze vzduchu a slunečního záření. A bude úplně jedno, jestli stojí u moře, ve stepi anebo ve vyprahlé poušti. Přijde vám to jako nepříliš věrohodné science-fiction, od něhož nás dělí mnoho světelných let? Tak to jste vedle.


Inženýři z MIT (Massachusetts Institute of Technology) společně s dalšími kolegy totiž před pár dny předvedli světu podivuhodné zařízení, které dokáže přesně tohle. Důkladně vyždímá vzduch a získá z něj velmi slušné množství vody. I když má k dispozici vzduch o vlhkosti pouhých 20 procent, což je běžná hodnota v pouštních oblastech, tak tenhle vynález vytěží litry čisté a naprosto pitné vody za 12 hodin. V atmosféře je totiž překvapivě hodně vody. Materiálový vědec z Kalifornské univerzity v Berkeley Omar Yaghi a jeho spolupracovníci o tom publikovali studii v prestižním časopisu Science, která vzbudila pořádný ohlas.

 

Omar Yaghi se svými miláčky. Kredit: Boasap / Wikimedia Commons.
Omar Yaghi se svými miláčky. Kredit: Boasap / Wikimedia Commons.

Podle Yaghiho jde o zásadní průlom v dlouholetém snažení o technologii, se kterou by bylo možné získat dostatečné množství vody ze suchého vzduchu. Nešlo to a nešlo. Do této chvíle se objevovala pouze řešení, která vyžadovala velké množství dodané energie. Postavit takovou ždímačku vzduchu není zase tak extrémně komplikované. Jenomže takhle vyrobená voda je po čertech drahá, a o to nikdo nestojí.


Sám Yaghi se ale už před dvaceti lety podílel na objevu materiálu, který byl pro takový průlom v technologiích ždímání vzduchu naprosto klíčový. Objevil takzvané MOFy, podle anglického názvu Metal-Organic Frameworks. Čeští odborníci je řadí mezi koordinační polymery, autor tohoto komentáře se ale přimlouvá za šťavnatější a doslovnější termín „kovové organické kostry“, s pikantní terminátorskou příchutí. MOFy tvoří kovy, jako je hořčík anebo hliník, uspořádané společně s organickými látkami do pevných a zároveň porézních struktur.

 

Schéma MOFu. Žlutě prázdné prostory, které se mohou naplnit molekulami vody. Kredit: UC Berkeley and Berkeley Lab.
Schéma MOFu. Žlutě prázdné prostory, které se mohou naplnit molekulami vody. Kredit: UC Berkeley and Berkeley Lab.

Chemici za tu dobu vytvořili přes 20 tisíc různých MOFů, které jsou slibné v mnoha různých ohledech. Některé MOFy jsou skvělé na uložení rozmanitých látek v podobě kapalin anebo plynů, jako je třeba vodík nebo metan. Vývojáři společnosti BASF testují palivové nádrže s MOFy, do nichž se ve srovnání s prázdnými nádržemi vejde trojnásobné množství metanu. Jiné typy MOFů zase dovedou lapat oxid uhličitý z emisí, katalyzovat chemické reakce adsorbovaných chemikálií nebo oddělovat jednotlivé látky při zpracování ropy v petrochemických závodech.

 

Evelyn Wang. Kredit: MIT.
Evelyn Wang. Kredit: MIT.

V roce 2014 Yaghi se svým týmem vytvořil další z pozoruhodných MOFů, původně z kovu zirkonia a kyseliny adipové, význačné organické dikarboxylové kyseliny, která se využívá hlavně jako surovina pro výrobu nylonu. Když zjistili, že tenhle MOF váže vodní páru, tak se domluvili s týmem inženýrky Evelyn Wang z MIT. Společnými silami se pustili do vývoje zařízení na získávání vody ze suchého vzduchu.


Jejich nové zařízení obsahuje asi 1 kilogram prachu z miniaturních krystalů obdobného MOFu. Tento prach badatelé stlačili mezi dvě desky, přičemž jedna z nich slouží k absorpci slunečního záření a druhá ke kondenzaci vody. Hotový prototyp zařízení pak umístili tak, aby byl na vzduchu. Když vzduch prochází vrstvou MOFu, tak se k jeho molekulám váží molekuly vody. Sluneční záření současně ohřívá vrstvu MOFu, což vede k pohybu vody směrem ke kondenzační desce. Vědci si to vyzkoušeli a ověřili, že zařízení funguje i v běžném prostředí. Tento jednoduchý prototyp za 12 hodin vyždímá ze vzduchu o vlhkosti 20 až 30 procent téměř 3 litry vody. Přitom k jeho pohonu stačí sluneční záření, které projde oknem do místnosti.


Yaghi, Wangová a jejich kolegové jsou nejen nadšení, ale i optimističtí. Hodlají svůj prototyp ještě dál vylepšovat a možnosti jsou prý veliké. Použitý MOF váže takové množství vody, jaké odpovídá 20 procentům jeho hmotnosti. Některý z jiných MOFů by ale mohl zvládnout i více než dvojnásobek. Vědci prý určitě dokáží vyždímat ještě větší množství vody a za ještě méně příhodných podmínek. MOFy jsou zázrak, takže s chutí do toho!

Video:  Device pulls water from dry air, powered only by the sun


Literatura
Berkeley News 13. 4. 2017, Science online 13. 4. 2017, Wikipedia (Metal-organic Framework).

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 19.04.2017
Tisk článku

Sucho - Harperová Jane
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 349 Kč
cena: 293 Kč
Sucho
Harperová Jane
Související články:

Voda ze vzduchu a zadarmo     Autor: Josef Pazdera (02.05.2012)
Pohár z nanotrubiček se sám plní vodou i na poušti     Autor: Josef Pazdera (14.06.2014)
První porézní kapalina na světě     Autor: Stanislav Mihulka (15.11.2015)
Převratný grafenový filtr by mohl zajistit pitnou vodu pro celou planetu     Autor: Stanislav Mihulka (19.03.2016)



Diskuze:

Atmospheric water processor designs for potable water production: a review 10.1016/S0043-1354(00)00247-5

Josef Hrncirik,2017-04-27 18:55:55

Teorie pro desalinaci mořské vody: 0,78 kWh/m3 pitné
Realita přinejmenším 23
Vymražování ze vzduchu s kompresí 270 (bez udání vlhkostí a teplot však nemá smysl)
Teorie 25°C; 20% RH 62
Adsorbent tuhý 1305; kapalný 280 kWh/m3 pitné
Peru: truck tanker 38,- Kč; government supply 50,-; supermarket 2,5 Kč/litr

Odpovědět

Destilovaná voda

Dan Černohorský,2017-04-25 09:09:49

Jenže...
Výsledkem této "destilace", stejně jako jakékoliv jiné, je opět jen destilovaná voda! A ta se pít nedá. A to je taky problém, který podobná zařízení odsouvá z možností "kapesního vodovodu".

Odpovědět


Re: Destilovaná voda

Josef Hrncirik,2017-04-25 09:14:28

Není problém přidat řekněme 10-100 mg minerálů/l vody, či si dát minerální granuli.

Odpovědět


Re: Re: Destilovaná voda

Dan Černohorský,2017-04-25 09:23:48

Nemyslím si, že v malém balení je možné dodat veškeré minerály, soli a další látky dělající pitnou vodu pitnou vodou. Pro krátkodobé užití možná ano, ale pokud bude mít někdo "kapesní vodovod", tak se předpokládá dlouhodobé užívání a to půjde s tabletami dost těžko. Zdravotní rizika a změny v organismu by zřejmě spolehlivě nadělaly dost zombíků.

Odpovědět


Re: Re: Re: Destilovaná voda

Josef Hrncirik,2017-04-25 09:32:33

9 lékařů z 10 to doporučuje ředit Mattonim; 10. Šaraticí

Odpovědět


Re: Re: Re: Destilovaná voda

Dan Černohorský,2017-04-25 09:33:14

viz např. http://www.treoz.cz/ostatni/demivod.htm

Odpovědět

A kam se poděje ta energie

Jiří Šíma,2017-04-23 02:57:25

A kam se poděje ta tepelná energie skrytá v té páře, co se uvolní, když z ní které vzniknou 3 litry vody?

Odpovědět


Re: A kam se poděje ta energie

Josef Hrncirik,2017-04-23 08:35:32

V prototypu na obr. 1 je čelní boční stěna špehýrka, ev. tajný světelný doping.
3 další stěny polepené alobalem vrací záření do skleníčku 7,5 x 7,5x 4cm.
Slunce svítí na střešní pařeniště (= skleněná deska transparence 0,92 neuvedené tl.
s tajně tlustou vzduchovou mezerou a pod ní je Cu deska tajné tl.,
(nejspíše však 1,7 mm jako v experimentech pro jistotu prováděných ve vakuové komoře kvůli ztrátám tepla a rychlejší difúzi či přímo fuku vodní páry)
postříkaná grafitem (zn. MIRACLE POWER PRODUCTS COMP. Ltd.) .
Tentokrát pro MOF nepoužili jako lože 4 mm tl. Cu pěnu neznámé porozity s póry 0,01´´
(se zabudovanými 0,6 um velkými částicemi MOF při optimální porozitě cca 0,5; kvůli pomalé difuzi vody ve vzduchu).
Nebohý MOF byl slisován ve vrstvě neznámé tl. a porozity a hmotnosti, avšak s termočlánky na površích i ve středu? (tl. či plochy?) (tj. asi nikoliv v Cu pěně)
a přivázán vlascem ke grafitované Cu desce (pověšen do průvanu vodních par hlavou dolů).
Pod vzduchovou mezerou hlavního skleníku ?cca 4 cm (tajný difúzní odpor se dá simulovat) je chladič s termočlánky a senzorem tepelného toku (= baterie termočlánků na protějších površích tenké kaptonové folie).
Senzor tepelného toku umožnuje simulovat, že ztráta tepla odpovídá
sklizenému, jinak neměřitelnému množství kondenzátu.
Aby tok tepla a snad kondenzace nebyly příliš chaotické,
chladič není ofukován větříkem ns střeše MIT, ale nekompromisně chlazen termoelekticky příšerou, jejíhož konce nelze dohlédnout; kterou teprve ofukuje větřík ventilátoru.
Při hledání, kde kondenzuje voda, se mi zrosilo čelo.
Asi někde kdekoliv na Cu, hlavně že máme tepelný tok a produkujeme entropii.
Mofík nemohl být nasycen v noci vodní parou v Halabu, kvůli nepříznivě horké frontě a tak byl sice nouzově, ale vydatně napojen mlhami nad MIT.
Sorpční teplo je jen o 20% větší než výparné.
Samovolné přenosy tepla jsou prý 5-10 W/m2.K; při ofoukávání 100 i více.
Vše se dá SIMULOVAT.

Odpovědět


Re: Re: A kam se poděje ta energie

Josef Hrncirik,2017-04-23 11:29:45

Zpocené dveře od chléva jsou červené, jak vidno zříti špehýrkou.
Možná je to dokonce přímo onen senzor tepelného toku, červený, aby byl nápadný.
Na něm vlivem tepelného toku do Peltiera kondenzuje voda.
Tepelný tok senzorem vyvolá v baterii termočlánků napěťový signál (úměrný sklizni vody (a parazitnímu tep. toku)).
Aby to nekondenzovalo i na bocích a nezdálo se toho méně, je to z boku izolováno proužky pěnového PS přilepených kaptonovou izolepou.
Teplou stranu Peltiera chladí heatpipe vedoucí do nekonečného chladiče, zboku nenápadně ofu kovaného.

Odpovědět

Trocha počtů

Ladislav Žahour,2017-04-20 22:14:30

1 metr kubický při sto procentní relativní a 25 stupních celsia vlhkosti obsahuje cca 23 gramů vody. To znamená, že v uvažovaném případě cca 5 gramů na kubický metr . Při stoprocentní účinnosti potřebuje prohnat zařízením 200 kubických metrů vzduchu o teplotě 25 stupňů a relativní vlhkosti 20-25 procent.

Odpovědět


Re: Trocha počtů

Marek Fucila,2017-04-21 01:16:16

To zrejme nebude problém. Námatkovo vygooglený 8,4W kúpeľňový ventilátor má prietok 90m3 za hodinu a taký 10W solárny panel má pár desiatok centimetrov. Keby teda nefúkalo...

Odpovědět


Re: Re: Trocha počtů

Ladislav Žahour,2017-04-21 06:22:12

Jenže ten ventilátor tlačí do roury tady přepokladám protlačuje nějakou mikrostrukturou.

Odpovědět


Re: Re: Trocha počtů

Josef Hrncirik,2017-04-21 06:38:35

Akorát, že koupelňák fuká do volného prostoru a žere 8,4 W.
Protože transporty chtějí provádět jen dobrovolně, pasivně difúzí (nemaj ani na 8,4 W),
říkají že optimální je mikroporozita MFO 0,5 a tloušťka tohoto "papíru či střepu či ucpávky" cca 1 mm.
Jinak prý adsorpce či desorpce nestíhají.
Určitě zapuzují např. 1 mm štěrbinu, kterou by to neofukovali, ale proudilo by to v noci divoce? pouštním průvanem, ev. by otevřeli těsnící dekly a mocně to zježili.
Stejně Ti simulanti vše nasimulovali maximálně z idealizované rovnováhy, či kousku dynamiky spíše jen sorpce do hladem zmučeného MOF.
Navíc potřebují pracovat stále v okolí RH 20%, jinak to pochopitelně významně nesorbuje.
Proto musí být tok vzduchu min. 5-10 větší než obpovídá bilanci mezi vzduchem 20 a 0% RH.
Děje by se měly blížit vratnému provedení s diferenciálními hnacími silami, aby nedoplatili na termodynamiku, ale pak doplatí na kinetiku.

Odpovědět


Re: Re: Re: Trocha počtů

Pavel Nedbal,2017-04-21 13:14:03

Nebyl by jednodušší Peltier, kterého horká strana by se ochlazovala heat-pipe chladičem, studená strana by kondenzovala vlhkost, a pro vylepšení by se ochlazený odvlhčený vzduch vedl ještě výměníkem, který by předchlazoval vzduch k Peltieru přicházející? A všechny povrchy, které přicházejí do styku s kondenzující vlhkostí z mědi (n. lépe postříbřené mědi), aby se desinfikovalo. A poháněno solárním panelem, samozřejmě.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Trocha počtů

Josef Hrncirik,2017-04-21 14:32:52

Peltier má menší účinnost než kompresorová a možná i absorbční chladnička.
Navíc elektřinu na MIT neznají.
Vymrazovací cykly by teoreticky mohly být vratné.
Prakticky se prý vyplácí při RH spíše nad 50%.

Odpovědět

Divný

Josef Šoltes,2017-04-20 21:56:35

Jsem to jenom já, nebo to zařízení vypadá jako obrácený chladič na procesor s heatpipe trubicemi a trochou balastu okolo?

Odpovědět


Re: Divný

Josef Hrncirik,2017-04-21 06:44:49

Ale nasimulovali si stlačené MOF na porozitu cca 0,5 v Cu pěně.
Vršek pěnovky je grafitován, aby to bylo černočerné a do tohoto směru nepropustné.
Velkoruský Putin tam podstrčil obrázek skleníčku.
Měli to ale na střeše MIT a úspěšně se jim to orosilo.

Odpovědět

Sucho

Radek Secka,2017-04-20 11:26:37

A kdyz se bude vysuvat vzduch na polopousti .. bude z ni les prislusneho klimatu, nebo poust? :D

Odpovědět

Warkawater tower

Exa Malina,2017-04-20 05:54:13

Zdravím, nevíte někdo více informací o warkawater towers. Vypadá to technologicky jednodušše a levně a prý to dokáže dostat ze vzduchu až 100 litrů vody za den. Nevím ovšem při jaké vlhkosti vzduchu.

Odpovědět


Re: Warkawater tower

Josef Hrncirik,2017-04-20 06:54:14

Konečně záchranný příklad pro repetenty.
Snáší vodu na líchy a nic za to nechce.
Creatuje 1 galon / Boží den při pokojové pouštní teplotě 90F a 20% RH.
Nevyžaduje však čistá ruka 14,4 W na hřídeli vratného stroje,
ale min. 151 W tepelného toku do desorpční jednotky
a min. 151 W tepelného toku ze sorpční jednotky
a pochopitelně Tepelnou Smrt Všeho Míra.

Odpovědět


Re: Re: Warkawater tower

Josef Hrncirik,2017-04-20 07:00:03

Žíznič si pohodovými 30 W může za den klikou napumpovat z fata morgana 2 galony vody.
Jak to dělá ťava či dromedár?

Odpovědět


Re: Re: Re: Warkawater tower

Josef Hrncirik,2017-04-20 09:52:33

Nejlepší MOF-801 sušenky mají energetickou hodnotu 5,9 MJ/kg

Odpovědět


Fake pod obr.4 "Jejich nové zařízení obsahuje asi 1 kg "prachů"...".

Josef Hrncirik,2017-04-20 10:25:32

Jak si je možno přečíst na proruském Sci-hub otevřením 10.1126/science.aam8743
na s.3 v řádku na úrovni References
je tam pouze 1,34 g MOF-801

Odpovědět


Ars (Science) longa, vita brevis, occasio praeceps, experimentum periculosum, iudicium difficile, ergo simulation.

Josef Hrncirik,2017-04-20 14:07:47

Osel píše o MOF z 2014 s kys. adipovou.
Science v abstraktu: MOF-801 je s kys. fumarovou
dále však na s. 2 ve 2. odstavci ve vzorci MOF-801 mají kyselinu šťavelovou
(je však možné, že nenašli vzorec fumarové).
V metodě přípravy v supplements v S1 se ale píše o použití 0,62 mol kys. fumarové a 700 ml (15 mol) kys. mravenčí (formic nikoliv fumaric).
Čtou to alespoň placení recenzenti?

Odpovědět


Re: Re: Warkawater tower

Florian Stanislav,2017-04-20 19:36:23

Se 300 W výkonu za 12 hodin máme 12,9 MJ energie, která stačí na destilaci (jakékoli špatné a tudíž dostupné) 5,7 litru vody ( měr.skup.teplo výparné vody je 2,26 MJ/kg).

Odpovědět


Re: Re: Re: Warkawater tower

Jiří Novák,2017-04-21 21:54:57

Myslím, že nešlo o to, udělat pitnou vodu ze znečištěné. To by ve většině případů zvládl každý malý táborník a napadly by ho minimálně 2-3 způsoby, jak to provést. Tady šlo IMHO spíš o to sehnat vodu i v lokalitách, kde není vůbec žádná.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Warkawater tower

Florian Stanislav,2017-04-23 09:47:17

Asi ano, jde o to jak získat vodu v poušti. Pro přežití stačí prohnutá fóĺie a malá nádobka, do které se dole kondenzují kapičky vlhkosti z půdy (písku) ráno po východu slunce. Mají to sebou i vojáci - výsadky do suchých oblastí.

Odpovědět


Re: Re: Warkawater tower

Josef Hrncirik,2017-04-23 13:42:12

V 10.1021/ja500330a se dá najít příprava a složení MOF i sorpční a desorpční izotermy.
Některé MOF nad RH 0,3 vykazovaly značnou hysterezi a pokles kapacity opakovanými cykly.
To prý není případ mofíka 801.
Tam možná hrozí, že hlavně v kontaktu s Cu fumarovka naoxiduje a vyšumí.
Někteří mofíci měli zabudovánu též kyselinu mravenčí, též snadno oxidovatelnou.
Ve vzorečku MOF nemá být pochopitelně jejich vlastně šťavelka (-COO) tj. (-COO(-)) či _COO;
ale obecný anion asi(_Ŕ_COO) či -ŔCOO.
Hystereze snižuje účinnost cyklů a tím upíjí ze sklizně vody.
Při kondenzaci a desorpci v nánopórech vznikají obrovské kapilární síly, které mohou velmi snadno snižovat pórovitost volně ložených částic, optimalizovaných velikostí 0,6 um vší silou zabudovaných do Cu pěny k ideální pórovitosti cca 0,5 a výrazně tak zhoršovat při prvních cyklech optimalizovanou kinetiku hlavně u pomalé sorpce brzděním transportu páry póry se vzduchem.
Najde se tam i izosterické adsorpční teplo cca 60 kJ/mol vody.
Čistá ruka zůstává čistá, ale tepelné toky pak budou nejméně 201 W.

Odpovědět

riasy

Martin Smatana,2017-04-19 20:37:24

Všade, kde je teplo, svetlo a vlhko, sa skôr či neskôr objavia riasy - vláknité aj jednobunkové. Nehrozí, že toto zariadenie po určitom čase úplne zarastú a znefunkčnia? Riešením by možno bolo umiestniť kondenzačnú dosku do trvalej tmy, ak tma nebude mať nežiadúci vplyv na prevádzku.

Odpovědět


Re: riasy

Peter M1,2017-04-19 20:49:44

riasy, neriasy, to sa dá určitým spôsobom sterilizovať.
Skôr by ma zaujímalo, ako to bude napríklad s prachom?

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni