La última versión del recolector de agua de UC Berkeley sopla aire ambiente sobre un cartucho lleno de MOF, que es visible dentro de la caja de plexiglás. El MOF extrae agua del aire árido, que luego se elimina del MOF mediante calentamiento suave. El vapor de agua concentrado se expulsa a través del tubo a la derecha hacia un condensador. Este proceso produce agua para beber utilizando solo paneles solares y una batería, incluso en zonas tan secas como el desierto de Mojave. Crédito:Mathieu Prévot, UC Berkeley
En 2017, Los químicos de UC Berkeley demostraron que un nuevo diseño de MOF podría absorber rápidamente agua incluso del aire seco, permitiendo que se condense y se recoja para beber. Un MOF de segunda generación ahora puede realizar un ciclo de adsorción y desorción en 20 minutos, permitiendo la recolección continua de más de un litro por día por kilogramo de MOF usando energía solar. El nuevo MOF es la base de un dispositivo del tamaño de un microondas planificado que suministra de 7 a 10 litros por día.
Dado que la escasez de agua es un problema creciente en todo el mundo, Universidad de California, Berkeley, Los investigadores están a punto de producir un recolector de agua del tamaño de un microondas que le permitirá extraer toda el agua que necesita directamente del aire, incluso en el calor, desierto seco.
En un documento que aparece esta semana en Ciencia Central ACS , una revista de la American Chemical Society, Omar Yaghi de UC Berkeley y sus colegas describen la última versión de su recolector de agua, que puede extraer más de cinco tazas de agua (1,3 litros) del aire de baja humedad por día por cada kilogramo (2,2 libras) de material absorbente de agua, una sustancia muy porosa llamada estructura organometálica, o MOF. Eso es más que el mínimo requerido para sobrevivir.
Durante las pruebas de campo durante tres días en el árido desierto de Mojave en California, la cosechadora produjo de manera confiable 0,7 litros por kilogramo de absorbente por día, casi tres tazas de pura H 2 O. Eso es 10 veces mejor que la versión anterior de la cosechadora. La cosechadora funciona 24 horas al día, 7 días a la semana, alimentado por paneles solares y una batería.
Incluso en el día más seco del desierto con una humedad relativa extremadamente baja del 7% y temperaturas superiores a los 80 grados Fahrenheit, la cosechadora produjo seis onzas (0,2 litros) de agua por kilogramo de MOF por día.
"Es bien sabido que para condensar el agua del aire con una humedad baja (menos del 40 por ciento de humedad relativa) es necesario enfriar el aire por debajo del punto de congelación, a cero grados centígrados, lo cual no es práctico. Con nuestra cosechadora, estamos haciendo esto a muy baja humedad sin tal enfriamiento; no hay otro material que pueda hacer eso, "dijo Yaghi, profesor de química de UC Berkeley y codirector del Instituto Kavli Energy NanoSciences. "Esto no es como un deshumidificador, que opera a alta humedad relativa. Algunas personas dicen que 0,7 litros no es mucha agua. Pero es mucha agua si no tienes agua ".
La puesta en marcha de Yaghi, Water Harvester Inc., ahora está probando y pronto comercializará un dispositivo del tamaño de un horno microondas que puede suministrar de 7 a 10 litros de agua por día:suficiente agua para beber y cocinar para dos o tres adultos por día, según las recomendaciones de la Academia Nacional de Ciencias de que los hombres deben consumir 3,7 litros y las mujeres 2,7 litros de líquido al día.
Una versión aún más grande de la cosechadora, uno del tamaño de un frigorífico pequeño, proporcionará de 200 a 250 litros de agua por día, suficiente para beber en una casa, cocinar y ducharse. Y en un par de años la empresa espera tener una cosechadora a escala de aldea que produzca 20, 000 litros por día. Todos funcionarían con energía de paneles solares y una batería o fuera de la red eléctrica.
"Estamos haciendo agua ultrapura, que potencialmente pueden estar ampliamente disponibles sin conexión a la red de agua, "dijo Yaghi, la Cátedra James y Neeltje Tretter de la Facultad de Química. "Esta movilidad del agua no solo es fundamental para quienes padecen estrés hídrico, pero también hace posible el objetivo más amplio:que el agua debe ser un derecho humano ".
La clave:MOF altamente porosos
El ingrediente secreto de la cosechadora es un tipo de MOF inventado por Yaghi y sus colegas de UC Berkeley que toma agua del aire fácil y rápidamente y la descarga con la misma facilidad para que el agua pueda ser recolectada. MOF, que Yaghi ha estado desarrollando desde mediados de la década de 1990, son tan porosos que un gramo tiene una superficie equivalente a un campo de fútbol. Otros tipos de MOF capturan dióxido de carbono de los gases de combustión, catalizar reacciones químicas o productos petroquímicos separados en plantas de procesamiento.
Nikita Hanikel, estudiante graduada de 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, Sudamerica, 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, Jordán.
"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."
