Thu hoạch nước từ không khí sa mạc: Hydrogel siêu hấp thụ mang tính cách mạng của MIT
Các kỹ sư của MIT đã tổng hợp một loại hydrogel siêu hấp thụ mới được tẩm lithium clorua có thể hấp thụ một lượng ẩm chưa từng thấy, ngay cả trong điều kiện giống như sa mạc. Vật liệu này có tiềm năng sử dụng quy mô lớn trong việc thu nước thụ động và nâng cao hiệu quả điều hòa không khí. (Khái niệm của nghệ sĩ.)
Một vật liệu mới được phát triển bởi các kỹ sư của MIT có khả năng hấp thụ hơi "phá kỷ lục".
Các kỹ sư của MIT đã tổng hợp một loại vật liệu siêu hấp thụ có thể hấp thụ một lượng ẩm kỷ lục từ không khí, ngay cả trong điều kiện giống như sa mạc.
Khi vật liệu hấp thụ hơi nước, nó có thể phồng lên để nhường chỗ cho độ ẩm nhiều hơn. Ngay cả trong điều kiện rất khô, với độ ẩm tương đối 30%, vật liệu này có thể hút hơi từ không khí và giữ ẩm mà không bị rò rỉ. Nước sau đó có thể được đun nóng và ngưng tụ, sau đó được thu thập dưới dạng nước siêu tinh khiết.
Chất liệu cao su trong suốt được làm từ hydrogel, một chất liệu thấm hút tự nhiên cũng được sử dụng trong tã lót dùng một lần. Nhóm nghiên cứu đã tăng cường khả năng hấp thụ của hydrogel bằng cách truyền vào nó lithium clorua - một loại muối được biết đến là chất hút ẩm mạnh.
Các kỹ sư của MIT đã tổng hợp một loại vật liệu siêu hấp thụ có thể hấp thụ một lượng ẩm kỷ lục từ không khí, ngay cả trong điều kiện giống như sa mạc. Trong ảnh là các đĩa hydrogel trương nở trong nước. Tín dụng: Gustav Graber và Carlos D. Díaz-Marín
Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng họ có thể truyền vào hydrogel nhiều muối hơn so với các nghiên cứu trước đây. Kết quả là, họ quan sát thấy rằng gel chứa muối đã hấp thụ và giữ lại một lượng ẩm chưa từng có, trong một loạt các mức độ ẩm, bao gồm cả điều kiện rất khô hạn đã hạn chế các thiết kế vật liệu khác.
Nếu nó có thể được tạo ra một cách nhanh chóng và ở quy mô lớn, gel siêu hấp thụ có thể được sử dụng như một máy thu nước thụ động, đặc biệt là ở các vùng sa mạc và dễ bị hạn hán, nơi vật liệu có thể liên tục hấp thụ hơi nước, sau đó có thể ngưng tụ thành nước uống . Các nhà nghiên cứu cũng hình dung rằng vật liệu này có thể phù hợp với các thiết bị điều hòa không khí như một bộ phận hút ẩm, tiết kiệm năng lượng.
“Hydrogel có thể chứa rất nhiều nước và muối có thể thu được nhiều hơi. Vì vậy, thật trực quan khi bạn muốn kết hợp cả hai,” Gustav Graber nói. Trong ảnh là hình ảnh hiển vi của một loại hydrogel khô, chứa đầy muối. Tín dụng: Gustav Graber và Carlos D. Díaz-Marín
Carlos Díaz-Marin, một sinh viên tốt nghiệp ngành kỹ thuật cơ khí và là thành viên của Phòng thí nghiệm nghiên cứu thiết bị tại MIT cho biết: “Chúng tôi không tin vào ứng dụng, theo nghĩa là chúng tôi chủ yếu tập trung vào các đặc tính cơ bản của vật liệu. “Nhưng bây giờ chúng tôi đang khám phá nhiều vấn đề khác nhau như làm thế nào để điều hòa không khí hiệu quả hơn và làm thế nào bạn có thể thu được nước. Vật liệu này, do chi phí thấp và hiệu suất cao, có rất nhiều tiềm năng.”
Díaz-Marin và các đồng nghiệp của ông đã công bố kết quả của họ trong một bài báo xuất bản gần đây trên tạp chí Advanced Materials. Các đồng tác giả MIT của nghiên cứu là Gustav Graeber, Leon Gaugler, Yang Zhong, Bachir El Fil, Xinyue Liu và Evelyn Wang.
"Tốt nhất của cả hai thế giới"
Trong Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Thiết bị của MIT, các nhà nghiên cứu đang thiết kế những vật liệu mới để giải quyết những thách thức về nước và năng lượng của thế giới. Khi tìm kiếm các vật liệu có thể giúp thu nước từ không khí, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào hydrogel - loại gel co giãn, trơn trượt chủ yếu được làm từ nước và một ít polyme liên kết ngang. Hydrogel đã được sử dụng trong nhiều năm làm chất liệu thấm hút trong tã lót vì chúng có thể phồng lên và hấp thụ một lượng nước lớn khi tiếp xúc với chất liệu này.
“Câu hỏi của chúng tôi là, làm thế nào chúng tôi có thể làm cho thiết bị này hoạt động tốt như vậy để hấp thụ hơi nước từ không khí?” Díaz-Marin nói.
Ông và các đồng nghiệp của mình đã nghiên cứu tài liệu và phát hiện ra rằng những người khác đã thử nghiệm trộn hydrogel với nhiều loại muối khác nhau. Một số loại muối, chẳng hạn như muối mỏ được sử dụng để làm tan băng, rất hiệu quả trong việc hấp thụ độ ẩm, bao gồm cả hơi nước. Và tốt nhất trong số đó là lithium clorua, một loại muối có khả năng hấp thụ độ ẩm gấp 10 lần khối lượng của chính nó. Để riêng thành đống, liti clorua có thể hút hơi nước từ không khí, mặc dù hơi ẩm sẽ chỉ đọng lại xung quanh muối mà không có cách nào giữ lại nước đã hấp thụ.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã cố gắng truyền muối vào hydrogel - tạo ra một vật liệu vừa có thể giữ ẩm vừa có thể trương nở để chứa nhiều nước hơn.
Graeber, hiện là điều tra viên chính tại Đại học Humboldt ở Berlin, nói: “Đó là điều tốt nhất của cả hai thế giới. “Hydrogel có thể chứa rất nhiều nước và muối có thể thu được nhiều hơi. Vì vậy, thật trực quan khi bạn muốn kết hợp cả hai.”
thời gian để tải
Nhưng nhóm MIT phát hiện ra rằng những người khác đã đạt đến giới hạn về lượng muối mà họ có thể nạp vào gel của mình. Các mẫu hoạt động tốt nhất cho đến nay là hydrogel được truyền từ 4 đến 6 gam muối trên mỗi gam polyme. Các mẫu này hấp thụ khoảng 1,5 gam hơi trên mỗi gam vật liệu trong điều kiện khô ráo với độ ẩm tương đối là 30 phần trăm.
Trong hầu hết các nghiên cứu, trước đây các nhà nghiên cứu đã tổng hợp các mẫu bằng cách ngâm hydrogel trong nước mặn và đợi muối ngấm vào gel. Hầu hết các thí nghiệm kết thúc sau 24 đến 48 giờ, vì các nhà nghiên cứu nhận thấy quá trình này diễn ra quá chậm và không có nhiều muối kết thúc trong gel. Khi họ kiểm tra khả năng hấp thụ hơi nước của vật liệu thu được, các mẫu này hấp thụ rất ít do chúng chứa ít muối để hấp thụ hơi nước ngay từ đầu.
Điều gì sẽ xảy ra nếu quá trình tổng hợp vật chất được phép tiếp tục, chẳng hạn như trong nhiều ngày, thậm chí nhiều tuần? Hydrogel có thể hấp thụ nhiều muối hơn nữa không nếu có đủ thời gian? Để có câu trả lời, nhóm MIT đã thực hiện các thí nghiệm với polyacrylamide (một loại hydrogel phổ biến) và lithium clorua (một loại muối siêu hấp thụ). Sau khi tổng hợp các ống hydrogel thông qua các phương pháp trộn tiêu chuẩn, các nhà nghiên cứu đã cắt các ống này thành các đĩa mỏng và thả từng đĩa vào dung dịch lithium clorua có nồng độ muối khác nhau. Họ lấy các đĩa ra khỏi dung dịch mỗi ngày để cân và xác định lượng muối đã ngấm vào gel, sau đó đưa chúng trở lại dung dịch của chúng.
Cuối cùng, họ phát hiện ra rằng, thực sự, càng có nhiều thời gian, hydrogel càng hấp thụ nhiều muối hơn. Sau khi ngâm trong dung dịch muối trong 30 ngày, hydrogel kết hợp tới 24, so với kỷ lục trước đó là 6 gam muối trên mỗi gam polyme.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã đặt nhiều mẫu gel chứa muối khác nhau thông qua các thử nghiệm hấp thụ trong một loạt các điều kiện độ ẩm. Họ phát hiện ra rằng các mẫu có thể phồng lên và hấp thụ nhiều độ ẩm hơn ở mọi mức độ ẩm mà không bị rò rỉ. Đáng chú ý nhất, nhóm nghiên cứu báo cáo rằng ở điều kiện rất khô ráo với độ ẩm tương đối 30%, gel đã thu được một lượng nước “phá kỷ lục” 1,79 gam trên mỗi gam vật liệu.
Díaz-Marin, người hiện đang tìm cách tăng tốc các đặc tính siêu hấp thụ của vật liệu, cho biết: “Bất kỳ sa mạc nào vào ban đêm sẽ có độ ẩm tương đối thấp, vì vậy có thể hiểu được rằng vật liệu này có thể tạo ra nước trong sa mạc”.
Graeber nói: “Điều ngạc nhiên lớn, ngoài dự đoán là, với cách tiếp cận đơn giản như vậy, chúng tôi đã có thể thu được mức hấp thụ hơi cao nhất được báo cáo cho đến nay. “Bây giờ, trọng tâm chính sẽ là động học và chúng ta có thể làm cho vật liệu hấp thụ nước nhanh như thế nào. Điều đó sẽ cho phép bạn quay vòng vật liệu này rất nhanh, để thay vì thu hồi nước mỗi ngày một lần, bạn có thể thu được nước khoảng 24 lần một ngày.”
Tham khảo: “Sự hấp thụ nước cực độ của hydrogel hút ẩm thông qua tải muối gây trương nở tối đa” của Gustav Graeber, Carlos D. Díaz-Marín, Leon C. Gaugler, Yang Zhong, Bachir El Fil, Xinyue Liu và Evelyn N. Wang, ngày 18 tháng 5 2023, Tài liệu nâng cao.
DOI: 10.1002/adma.202211783
Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Văn phòng Hiệu quả Năng lượng và Năng lượng Tái tạo Hoa Kỳ và Quỹ Khoa học Quốc gia Thụy Sĩ.
