A versão mais recente do coletor de água da UC Berkeley sopra ar ambiente sobre um cartucho cheio de MOF, que é visível dentro da caixa de acrílico. O MOF puxa água do ar árido, que é então removido do MOF por aquecimento moderado. O vapor de água concentrado é expelido através do tubo à direita para um condensador. Este processo produz água para beber usando apenas painéis solares e uma bateria, mesmo em áreas tão secas como o deserto de Mojave. Crédito:Mathieu Prévot, UC Berkeley
Em 2017, Químicos da UC Berkeley demonstraram que um novo design de MOF pode rapidamente adsorver água até mesmo do ar seco, permitindo que seja condensado e recolhido para beber. Um MOF de segunda geração agora pode passar por adsorção e dessorção em 20 minutos, permitindo a coleta contínua de mais de um litro por dia por quilograma de MOF usando energia solar. O novo MOF é a base de um dispositivo planejado do tamanho de micro-ondas que fornece 7 a 10 litros por dia.
Com a escassez de água um problema crescente em todo o mundo, Universidade da Califórnia, Berkeley, os pesquisadores estão perto de produzir um coletor de água do tamanho de um micro-ondas que permitirá que você retire toda a água necessária diretamente do ar - mesmo no calor, Deserto seco.
Em um jornal publicado esta semana em ACS Central Science , um jornal da American Chemical Society, Omar Yaghi da UC Berkeley e seus colegas descrevem a versão mais recente de seu coletor de água, que pode puxar mais de cinco xícaras de água (1,3 litros) do ar de baixa umidade por dia para cada quilograma (2,2 libras) de material absorvente de água, uma substância muito porosa chamada estrutura metal-orgânica, ou MOF. Isso é mais do que o mínimo necessário para permanecer vivo.
Durante os testes de campo ao longo de três dias no árido deserto de Mojave, na Califórnia, a colheitadeira produziu de forma confiável 0,7 litros por quilo de absorvedor por dia - quase três xícaras de água limpa, H puro 2 O. Isso é 10 vezes melhor do que a versão anterior da colheitadeira. A colheitadeira funciona 24 horas por dia, 7 dias por semana, alimentado por painéis solares e uma bateria.
Mesmo no dia mais seco do deserto, com umidade relativa extremamente baixa de 7% e temperaturas acima de 80 graus Fahrenheit, a colheitadeira produziu seis onças (0,2 litros) de água por quilo de MOF por dia.
"É bem sabido que, para condensar a água do ar em baixa umidade - menos de 40 por cento de umidade relativa - você precisa resfriar o ar abaixo de zero, a zero graus Celsius, o que é impraticável. Com nossa colheitadeira, estamos fazendo isso com umidade muito baixa, sem esse resfriamento; não há outro material que possa fazer isso, "disse Yaghi, professor de química da UC Berkeley e codiretor do Kavli Energy NanoSciences Institute. "Isto não é como um desumidificador, que opera em alta umidade relativa. Algumas pessoas dizem que 0,7 litro não é muita água. Mas é muita água, se você não tem água. "
A startup de Yaghi, Water Harvester Inc., está agora testando e em breve comercializará um dispositivo do tamanho de um forno de micro-ondas que pode fornecer 7 a 10 litros de água por dia:água suficiente para beber e cozinhar para dois a três adultos por dia, com base nas recomendações da National Academy of Sciences de que os homens devem consumir 3,7 litros e as mulheres 2,7 litros de líquido por dia.
Uma versão ainda maior do harvester, um do tamanho de uma pequena geladeira, fornecerá 200 a 250 litros de água por dia, o suficiente para uma casa beber, cozinhar e tomar banho. E em alguns anos, a empresa espera ter uma colheitadeira em escala de aldeia que irá produzir 20, 000 litros por dia. Todos funcionariam com energia de painéis solares e uma bateria ou da rede elétrica.
"Estamos fazendo água ultra-pura, que potencialmente pode ser amplamente disponibilizado sem conexão com a rede de água, "disse Yaghi, a Cátedra James e Neeltje Tretter na Faculdade de Química. "Esta mobilidade da água não é crítica apenas para aqueles que sofrem de estresse hídrico, mas também torna possível o objetivo maior - que a água deve ser um direito humano. "
A chave:MOFs altamente porosos
O ingrediente secreto da colheitadeira é um tipo de MOF inventado por Yaghi e seus colegas da UC Berkeley que pega água do ar de maneira fácil e rápida e a despeja com a mesma rapidez para que a água possa ser coletada. MOFs, que Yaghi vem desenvolvendo desde meados da década de 1990, são tão porosos que um grama tem uma superfície equivalente a um campo de futebol. Outros tipos de MOFs capturam dióxido de carbono dos gases de combustão, catalisar reações químicas ou separar produtos petroquímicos em plantas de processamento.
Nikita Hanikel, estudante de graduação da UC Berkeley, Grant Glover of the University of South Alabama and UC Berkeley postdoc Mathieu Prévot display the water collected from the water harvester last fall in the Mojave Desert. Credit:Mathieu Prévot, UC Berkeley
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, África, América do Sul, México, 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, Jordan.
"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."
