Около двух третей населения Земли страдают от дефицита питьевой воды различной степени, причем более полумиллиарда человек живут в засушливых регионах, где доступ к чистой воде крайне ограничен. Специалисты из Техасского университета (США) предложили экономичный метод, позволяющий получать литры влаги из сухого воздуха даже в пустынных условиях с помощью полимерных пленок с высокой гигроскопичностью, затраты на которые составляют всего несколько долларов.
В отличие от обычных методов водоочистки, требующих доступа к водоемам или подземным источникам, получение воды из воздуха представляется более перспективной альтернативой, поскольку не ограничивается географическим положением и гидрологическими особенностями региона. Воду можно добывать, например, улавливая туман или конденсируя росу, но для этого требуется высокая влажность воздуха (свыше 90%). Такие способы не способны полностью разрешить проблему, так как более чем треть территории Земли характеризуется среднегодовой влажностью менее 40%.
По этой причине ученые из Техасского университета в Остине (США) решили создать доступную технологию для извлечения влаги из воздуха, не зависящую от погодных условий в конкретном месте. В новой работе, опубликованной в журнале Nature Communications, в представленных исследованиях освещается создание доступной гелевой супергигроскопичной полимерной пленки, предназначенной для извлечения влаги из воздуха даже в условиях низкой влажности. Сырье, используемое для производства пленки, обходится всего в два доллара за килограмм, при этом один килограмм пленки позволяет собирать до 5,8 литра воды в день в областях с относительной влажностью менее 15% и до 13,3 литра — при влажности до 30%.
«В этой новой работе представлены практические решения, которые люди могут применять для получения воды в наиболее жарких и засушливых регионах нашей планеты, — пояснил один из авторов статьи, Гуйхуа Ю ( Guihua Yu), это дало бы возможность миллионам людей, которые не имеют постоянного доступа к питьевой воде, использовать в своих домах простые приборы для получения воды, которыми было бы легко пользоваться».
Для формирования гигроскопичной полимерной матрицы, служащей основой пленки, ученые использовали гидроксипропилцеллюлозу и конжаковую камедь – два пищевых ингредиента, выполняющих функции загустителей и стабилизаторов. Их совместное использование привело к образованию пористой структуры пленки, что способствует более быстрому поглощению влаги из воздуха. Внутри пор пленки равномерно распределена гигроскопичная соль LiCl – третий компонент, обеспечивающий эффективное поглощение атмосферной воды даже при низкой влажности.
Благодаря содержанию термочувствительной целлюлозы (гидроксипропилцеллюлозы) в составе пленки, которая при нагревании приобретает гидрофобные свойства (отталкивает молекулы воды), обеспечивается постепенное высвобождение влаги, собранной пленкой, в течение 10 минут. В результате, среднее значение эффективности водосбора – то есть, соотношение объема собранной воды к количеству атмосферной влаги, поглощенной установкой – составляет 87%.
Принцип действия устройства, использующего сверхгигроскопичную полимерную пленку, достаточно прост: влажный воздух, проходя через поры пленки, заставляет ее поглощать атмосферную влагу благодаря высокой гигроскопичности (в основном, за счет наличия соли LiCl), что приводит к увеличению ее объема и накоплению воды внутри полимерной структуры. После этого пленка нагревается до 60 °C, чтобы гидроксипропилцеллюлоза приобрела гидрофобные свойства и для испарения накопленной воды, которая затем конденсируется на охладителе, собирается в коллекторе и удаляется из системы.
Это позволяет существенно снизить общее энергопотребление при извлечении влаги из атмосферы, что особенно заметно в сравнении с другими, более энергозатратными и менее эффективными методами. Также, по мнению ученых, благодаря простоте самой реакции, удается избежать сложностей, которые обычно возникают при увеличении масштаба производства и внедрении технологии.
Полученная супергигроскопичная пленка обладает гибкостью и способна адаптироваться к разным формам и размерам, в зависимости от нужд пользователя. Ее производство включает смешивание компонентов, заливку смеси в форму и сушку методом замораживания, после чего пленка готова к применению. «Для этого не требуется специальное образование, процесс достаточно прост, и любой человек может выполнить его в домашних условиях, имея необходимые материалы», — заключили исследователи.