ساخت ماده فوق جاذب برای برداشت آب از هوای بیابان

مهندسان دانشگاه MIT ماده ای فوق جاذب را سنتز کرده اند که می تواند رطوبت هوا را حتی در شرایط گرم و خشک مانند بیابان جذب کند.

به گزارش تکناک، همانطور که این ماده بخار آب را جذب می کند، می تواند متورم شود تا فضای بیشتری برای رطوبت ایجاد کند. حتی در شرایط بسیار خشک، با رطوبت نسبی 30 درصد، این ماده می تواند بخار را از هوا بیرون بکشد و بدون نشت رطوبت نگه دارد. سپس آب را می توان گرم و متراکم کرد و سپس به عنوان آب فوق خالص جمع آوری کرد.

این ماده شفاف و لاستیکی از هیدروژل ساخته شده است که به طور طبیعی جاذب است و در پوشک های یکبار مصرف نیز استفاده می شود. این تیم جذب هیدروژل را با تزریق کلرید لیتیوم که نوعی نمک که به عنوان یک ماده خشک‌کننده قوی شناخته می‌شود افزایش دادند.

محققان دریافتند که می توانند هیدروژل را با نمک بیشتری نسبت به مطالعات قبلی تزریق کنند. در نتیجه، آن‌ها مشاهده کردند که ژل حاوی نمک، رطوبت بی‌سابقه‌ای را در طیفی از سطوح رطوبت، از جمله شرایط بسیار خشک که دیگر طرح‌های مواد را محدود کرده است، جذب کرده و حفظ می‌کند.

اگر بتوان آن را به سرعت و در مقیاس بزرگ ساخت، ژل فوق جاذب می تواند به عنوان یک برداشت کننده آب غیرفعال استفاده شود، به ویژه در مناطق بیابانی و مستعد خشکسالی، این ماده می تواند به طور مداوم بخار هوا را جذب کرده و پس از ترکم آب آشامیدنی تولید کند. محققان همچنین پیش‌بینی می‌کنند که این ماده می‌تواند به عنوان یک عنصر صرفه‌جویی در انرژی و رطوبت‌زدایی روی واحدهای تهویه مطبوع قرار گیرد.

کارلوس دیاز مارین، دانشجوی فارغ التحصیل مهندسی مکانیک و عضو آزمایشگاه تحقیقاتی دستگاه در MIT، می گوید: ما بیشتر بر ویژگی‌های اساسی مواد تمرکز می‌کنیم. اما اکنون ما در حال بررسی مشکلات بسیار متفاوتی از جمله چگونگی کارآمدتر کردن تهویه مطبوع و نحوه برداشت آب هستیم. این ماده به دلیل هزینه کم و کارایی بالا، پتانسیل بالایی دارد.

دیاز مارین و همکارانش نتایج خود را در مقاله ای منتشر کرده اند که اخیراً در مجله Advanced Materials منتشر شده است. نویسندگان همکار MIT این مطالعه گوستاو گربر، لئون گوگلر، یانگ ژونگ، باچیر ال فیل، شینیو لیو و اولین وانگ هستند.

بهترین هر دو دنیا

در آزمایشگاه تحقیقات دستگاه MIT، محققان در حال طراحی مواد جدید برای حل چالش‌های انرژی و آب در جهان هستند. در جستجوی موادی که می‌توانند به برداشت آب از هوا کمک کنند، این تیم هیدروژل‌ها را به کار گرفتند که ژل‌های لغزنده و کششی هستند و عمدتاً از آب و مقداری پلیمر متقاطع ساخته شده‌اند. هیدروژل‌ها سال‌ها به‌عنوان ماده جاذب در پوشک استفاده می‌شوند، زیرا می‌توانند متورم شوند و در هنگام تماس با مواد، مقدار زیادی آب را جذب کنند.

دیاز مارین می گوید: سوال ما این بود که چگونه می‌توانیم این کار را به خوبی انجام دهیم تا بخار هوا را جذب کند؟

او و همکارانش مقالات را بررسی کردند و دریافتند که دیگران با مخلوط کردن هیدروژل ها با نمک های مختلف آزمایش کرده اند. نمک های خاصی مانند سنگ نمکی که برای ذوب یخ استفاده می شود، در جذب رطوبت از جمله بخار آب بسیار کارآمد هستند و بهترین در میان آنها لیتیوم کلرید است، نمکی که قادر است بیش از 10 برابر جرم خود رطوبت را جذب کند

. لیتیوم کلرید که به تنهایی در یک توده باقی می ماند، می تواند بخار هوا را جذب کند، اگرچه رطوبت فقط در اطراف نمک جمع می شود و هیچ راهی برای حفظ آب جذب شده وجود ندارد.

بنابراین، محققان تلاش کرده‌اند نمک را به هیدروژل تزریق کنند و ماده‌ای را تولید می‌کنند که هم رطوبت را نگه می‌دارد و هم متورم می‌کند تا آب بیشتری را در خود جای دهد.

گریبر که اکنون محقق اصلی دانشگاه هومبولت در برلین است، می گوید: این بهترین هر دو جهان است. هیدروژل می تواند مقدار زیادی آب را ذخیره کند و نمک می تواند بخار زیادی را جذب کند. بنابراین طبیعی است که بخواهید این دو را با هم ترکیب کنید.

زمان بارگذاری

اما تیم MIT دریافتند که دیگران به سقف مقدار نمکی که می‌توانند در ژل‌هایشان اضافه کنند، رسیده‌اند. بهترین نمونه ها تا به امروز هیدروژل هایی بودند که با 4 تا 6 گرم نمک در هر گرم پلیمر تزریق می شدند. این نمونه ها در شرایط خشک با رطوبت نسبی 30 درصد حدود 1.5 گرم بخار در هر گرم ماده جذب کردند.

در بیشتر مطالعات، محققان قبلاً نمونه‌هایی را با خیساندن هیدروژل‌ها در آب نمک و انتظار برای تزریق نمک به ژل‌ها ساخته بودند. بیشتر آزمایش‌ها پس از 24 تا 48 ساعت پایان یافتند، زیرا محققان دریافتند که روند بسیار کند بوده و نمک زیادی در ژل‌ها وجود ندارد. هنگامی که آنها توانایی ماده به دست آمده را برای جذب بخار آب آزمایش کردند، نمونه ها بسیار کم خیس شدند، زیرا در وهله اول حاوی نمک کمی برای جذب رطوبت بودند.

اگر اجازه داده شود سنتز مواد مثلاً برای روزها و حتی هفته ها ادامه یابد، چه اتفاقی می افتد؟ آیا یک هیدروژل می تواند نمک بیشتری را جذب کند، اگر زمان کافی داده شود؟ برای پاسخ، تیم MIT آزمایشاتی را با پلی آکریل آمید (یک هیدروژل معمولی) و کلرید لیتیوم (یک نمک فوق جاذب) انجام داد.

پس از سنتز لوله‌های هیدروژل از طریق روش‌های اختلاط استاندارد، محققان لوله‌ها را به دیسک‌های نازک برش دادند و هر دیسک را در محلولی از کلرید لیتیوم با غلظت نمک متفاوت انداختند. آنها هر روز دیسک‌ها را از محلول خارج می‌کردند تا وزن آن‌ها و مقدار نمکی که به ژل‌ها تزریق شده بود را تعیین کنند، سپس آن‌ها را به محلول‌هایشان برگرداندند.

در پایان، آنها دریافتند که در واقع، با توجه به زمان بیشتر، هیدروژل ها نمک بیشتری مصرف می کنند. پس از خیساندن در محلول نمکی به مدت 30 روز، هیدروژل ها تا 24 روز در مقابل رکورد قبلی 6 گرم نمک در هر گرم پلیمر گنجانده شدند.

سپس این تیم نمونه‌های مختلفی از ژل‌های مملو از نمک را از طریق آزمایش‌های جذب در طیف وسیعی از شرایط رطوبتی قرار دادند. آنها دریافتند که نمونه‌ها می‌توانند متورم شوند و رطوبت بیشتری را در تمام سطوح رطوبت، بدون نشت جذب کنند. مهم‌تر از همه، این تیم گزارش می‌دهد که در شرایط بسیار خشک با رطوبت نسبی 30 درصد، ژل‌ها رکوردشکنی کرده و 1.79 گرم آب در هر گرم ماده را جذب کردند.

دیاز مارین، که اکنون به دنبال راه‌هایی برای تسریع خواص فوق جاذب این ماده است، می‌گوید، هر بیابانی در طول شب دارای رطوبت نسبی پایینی است، بنابراین می‌توان تصور کرد که این ماده می‌تواند در بیابان آب تولید کند.

گریبر می‌گوید: مسئله شگفت‌انگیز و غیرمنتظره این بود که با چنین رویکرد ساده‌ای، ما توانستیم بالاترین میزان جذب بخار گزارش‌شده تا به امروز را داشته باشیم. اکنون، تمرکز اصلی بر این است که چقدر سریع می‌توانیم مواد را به جذب آب برسانیم. این به شما این امکان را می دهد که این ماده را خیلی سریع بازچرخانی کنید، به طوری که به جای بازیابی آب یک بار در روز، می توانید 24 بار در روز آب برداشت کنید.

زیر نویس شکل

مهندسان MIT یک هیدروژل سوپرجاذب جدید ترکیب شده با کلرید لیتیوم ساخته اند که می تواند مقدار بی سابقه ای از رطوبت را حتی در شرایط بیابانی جذب کند. این ماده پتانسیل استفاده در مقیاس بزرگ در برداشت غیرفعال آب و بهبود راندمان تهویه مطبوع را دارد.

مهندسان MIT ماده ای فوق جاذب را سنتز کرده اند که می تواند رطوبت هوا را حتی در شرایط بیابانی مانند بیابان جذب کند. تصویر، دیسک های هیدروژل متورم در آب.