Исследователи создали супервпитывающий гидрогель, который может вытягивать влагу из воздуха в больших количествах, чем материалы, о которых сообщалось ранее, даже в условиях пустыни. Новый материал открывает двери для создания эффективного и устойчивого метода решения важной проблемы нехватки воды.
Вода является ключом к выживанию человека, энергии, производству продуктов питания и здоровым экосистемам. В то же время изменение климата усугубило бремя поддержания глобальных запасов воды и энергии из-за меняющихся условий окружающей среды. По данным Unicef, почти две трети населения мира испытывает острую нехватку воды не менее одного месяца в году.
В поисках инновационных материалов, позволяющих собирать воду, гидрогели, способные поглощать влагу из воздух – гигроскопичные гидрогели – привлекли внимание исследователей. Чтобы быть эффективными и пригодными для использования в самых разных экологических ситуациях, эти гидрогели должны быть недорогими, масштабируемыми и устойчивыми, а также обеспечивать высокую степень поглощения водяного пара.
Исследователи Массачусетского технологического института разработали супервпитывающий гидрогель, который отвечает всем этим требованиям даже в условиях пустыни. Ключом к впитывающей способности материала было заполнение гидрогеля особой солью, хлоридом лития.
Прочитав другие исследования, в которых использовалась смесь гидрогелей с солями, исследователи остановились на хлориде лития, который очень гигроскопичен. Он способен поглощать влаги более чем в 10 раз больше своей массы. Но нужен был материал, который мог бы удерживать воду — соль, собранную из воздуха. Вот где на помощь приходит гидрогель.
«Это лучшее из обоих миров», — сказал Густав Гребер, ведущий автор исследования. «Гидрогель может удерживать много воды, а соль может улавливать много пара. Поэтому интуитивно понятно, что вы хотите объединить их».
Исследователи экспериментировали, опуская гидрогелевые диски в растворы, содержащие различные концентрации соли хлорида лития. Каждый день их взвешивали, чтобы увидеть, сколько соли было введено в гидрогель. После замачивания в течение 30 дней исследователи обнаружили, что гидрогель поглощает 0,8 унции (24 г) соли на грамм геля. В предыдущих исследованиях было достигнуто поглощение соли 0,2 унции (6 г), но гидрогель не оставался в солевом растворе так долго.
Нагруженный солью гидрогель испытывали в условиях различной влажности. Исследователи обнаружили, что при различных уровнях влажности — 30%, 50% и 70% — гидрогель впитывал влагу, не протекая. По словам исследователей, даже при относительной влажности 30%, что ниже, чем влажность в пустыне ночью, гидрогели улавливали 0,06 унции (1,79 г) воды на грамм материала, что на 15% больше, чем ранее протестированные гидрогели. Воду можно нагреть, сконденсировать и собрать в виде сверхчистой воды.
«В любой пустыне ночью будет такая низкая относительная влажность, поэтому вполне вероятно, что этот материал может генерировать воду в пустыне», — сказал Карлос Диас. Марин, один из соавторов исследования.
Следующая задача для исследователей — ускорить процесс поглощения воды.
«Большим неожиданным сюрпризом стало то, что с помощью такого простого подхода мы смогли получить самое высокое поглощение паров, о котором сообщалось на сегодняшний день», — сказал Гребер. «Теперь основное внимание будет уделено кинетике и тому, как быстро мы сможем заставить материал поглощать воду. Это позволит вам очень быстро перерабатывать этот материал, так что вместо того, чтобы восстанавливать воду один раз в день, вы сможете собирать воду, может быть, 24 раза в день».
Потому что его можно производить быстро и в больших масштабах. , помимо того, что он является эффективным средством для сбора воды, исследователи рассматривают другие варианты применения своего соленого гидрогеля.
«Мы независимы от приложений, в том смысле, что мы в основном сосредоточены на фундаментальных свойствах солевого гидрогеля. материала», — сказал Диас-Марин. «Но сейчас мы изучаем самые разные проблемы, например, как сделать кондиционирование воздуха более эффективным и как можно собирать воду. Этот материал из-за его низкой стоимости и высокой производительности обладает таким большим потенциалом».
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Materials.
