تولید آب آشامیدنی از هوا با ماده متخلخل پیشرفته در مقیاس صنعتی

پژوهشگران دانشگاه کیل (Kiel University) گامی مهم به سوی تولید تجاری یک ماده متخلخل پیشرفته برداشته‌اند که قادر است آب آشامیدنی را از جو برداشت کند و هم‌زمان کارایی سامانه‌های سرمایشی را به‌طور چشمگیری بهبود بخشد. این ماده که در مؤسسه شیمی معدنی این دانشگاه توسعه یافته، به خانواده چارچوب‌های فلز-آلی (MOFs) تعلق دارد؛ مواد بلوری بسیار متخلخلی که می‌توانند مقادیر زیادی بخار آب را در چرخه‌های کوتاه جذب و آزاد کنند.

این پژوهش به نگرانی‌های فزاینده درباره کمبود آب و افزایش دما، به‌ویژه در مناطق خشکی مانند حوزه مدیترانه می‌پردازد و در عین حال فرصت‌هایی برای کاهش تقاضای انرژی فناوری‌های سرمایشی ارائه می‌دهد.

طراحی برای برداشت آب از جو

تیم تحقیقاتی کیل بر بهینه‌سازی چارچوب فلز-آلی با نام CAU-10-H تمرکز کرده است که حدود ۱۵ سال پیش در همین دانشگاه کشف شد. این ماده به لطف شبکه اسفنج‌مانند از منافذ میکروسکوپی خود، مولکول‌های آب را در دمای اتاق و زمانی که رطوبت نسبی از ۱۸ درصد فراتر رود از هوا جذب می‌کند و سپس در دمای حدود ۷۰ درجه سانتی‌گراد آن‌ها را آزاد می‌سازد.

برای بهبود عملکرد، پژوهشگران این چارچوب فلز-آلی را با ساختارهای کربنی رسانا ترکیب کردند و ماده‌ای مرکب ساختند که می‌توان آن را به‌طور کارآمد با برق یا انرژی خورشیدی گرم کرد. این کار آزادسازی آب را تسریع می‌کند و چرخه‌های عملیاتی کوتاه‌تر و تکرارپذیر را ممکن می‌سازد. در شرایط محیطی خشک، این ماده مرکب به جذب آبی معادل ۰.۱۷ گرم به ازای هر گرم از ماده دست می‌یابد. به گفته پژوهشگران، یک کیلوگرم از این ماده به‌طور بالقوه می‌تواند روزانه تا ۱.۸ لیتر آب آشامیدنی تولید کند که آن را به راه‌حلی امیدوارکننده برای تولید غیرمتمرکز آب در مناطقی تبدیل می‌کند که با تنش آبی فزاینده روبه‌رو هستند.

فناوری سرمایشی پایدارتر

فراتر از برداشت آب، CAU-10-H پتانسیل بالایی برای سامانه‌های سرمایش جذبی نیز نشان می‌دهد. در آزمایش‌ها، این ماده عملکرد سرمایشی تا سه برابر بهتر از سیلیکاژل معمولی، که یک ماده جاذب رطوبت پرکاربرد است، ارائه داد. برخلاف تهویه مطبوع سنتی، سامانه‌های سرمایش جذبی می‌توانند با استفاده از گرمای اتلافی با درجه پایین از منابعی مانند مراکز داده، فرایندهای صنعتی یا نانوایی‌های تجاری کار کنند. این سامانه‌ها با بهره‌گیری بهتر از انرژی گرمایی موجود، می‌توانند مصرف برق مرتبط با سرمایش ساختمان‌ها و زیرساخت‌ها را به‌طور قابل توجهی کاهش دهند و به انتشار کمتر کربن کمک کنند.

تولید در مقیاس پایلوت، تجاری‌سازی را نوید می‌دهد

یک نقطه عطف کلیدی برای این پروژه، گذار موفقیت‌آمیز از سنتز آزمایشگاهی به تولید در مقیاس پایلوت است. تیم تحقیقاتی با حمایت صندوق اعتبارسنجی دانشگاه کیل، حدود ۳۰ کیلوگرم از ماده CAU-10-H تولید کرد که تقریباً ۶۰ برابر مقداری است که پیش‌تر در آزمایشگاه ساخته شده بود. هم‌زمان با افزایش مقیاس تولید، پژوهشگران یک ارزیابی فنی-اقتصادی انجام دادند که نشان می‌دهد هزینه‌های تولید ۱۲ تا ۱۴ دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم قابل دستیابی است. این موضوع نشان می‌دهد که این ماده می‌تواند برای کاربردهای صنعتی در هر دو حوزه برداشت آب از جو و سرمایش کارآمد از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه شود.

این کار بخشی از یک همکاری میان‌رشته‌ای گسترده‌تر میان پژوهشگران شیمی و علم مواد در دانشگاه کیل است و به تلاش‌های جاری برای توسعه راه‌حل‌های مواد پایدار برای سازگاری با اقلیم و بهره‌وری منابع کمک می‌کند.

ترجمه و تنظیم: صما