Из корней конняку создан сорбент для улавливания атмосферной влаги

Американские материаловеды разработали недорогой и эффективный сорбент для захвата воды из атмосферы на основе материала из корней растения конняку. За сутки можно получить до 13,3 литра чистой воды на каждый килограмм сорбента. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Уже сегодня две трети населения Земли в той или иной мере сталкиваются с проблемой нехватки чистой воды. Ученые ищут новые способы для получения чистой воды, и один из них — захват воды из атмосферы с помощью пористых сорбентов. Вода скапливается в порах материала, а наружу ее можно извлечь, например, под действием тепла. Подобные устройства для захвата воды можно делать небольшими и мобильными и размещать даже в отдаленных районах без доступа к электричеству — для нагрева хватит солнечной энергии.
Однако найти идеальный сорбент не так просто. Во-первых, далеко не все сорбенты способны поглощать воду из сухого пустынного воздуха с относительной влажностью менее 30 процентов — то есть как раз в тех районах, где она больше всего нужна. Во-вторых, желательно найти материал, который бы удовлетворял двум почти противоречащим друг другу условиям — сначала быстро поглощал воду, а затем быстро отдавал. Вдобавок ко всем требованиям сорбент должен быть недорогим и доступным.

Получить дешевый и эффективный сорбент сумели материаловеды из Техасского Университета в Остине под руководством Гуя Хуа Юя (Guihua Yu). Группа Юя — одна из ведущих в разработке полимерных сорбентов для улавливания воды. 

В новом исследовании главным приоритетом для Юя и его коллег стала доступность материалов и возможность масштабирования. За основу материала они взяли глюкоманнан — природный полисахарид, добываемый из корней растения конняку (Amorphophallus konjac) Это тот самый материал, из которого делают популярные в косметологии спонжи конняку. К нему добавили термочувствительный полимер гидроксипропилцеллюлозу (водорастворимое производное целлюлозы, в котором некоторые гидроксильные группы заменены на оксигидроксипропильные) и хлорид лития LiCl.

Получить сорбирующий материал несложно. Достаточно приготовить водный раствор трех компонентов и вылить его в чашку Петри. По мере испарения растворителя, происходит процесс желирование — образования монолитной полимерной пленки, в которой волокна глюкоманнана и гидроксипропилцеллюлозы соединены множеством водородных связей. После выдерживания в холодильнике в течение двенадцати часов, полученная пленка становится достаточно прочной, чтобы ее можно было отделить от чашки Петри. Материал имеет множество иерархично расположенных пор средним размером 20-50 микрометров.

В поисках оптимального состава, ученые варьировали количество хлорида лития и гидроксипропилцеллюлозы. Ученые остановились на 7,3 массовых процентах хлорида лития. Если добавить больше этой соли, можно еще немного повысить общее количество поглощенной воды, но процесс будет идти медленнее. Добавки гидроксипропилцеллюлозы, напротив, немного снижали количество поглощаемой воды, но заметно ускоряли процесс ее извлечения. После оптимизации состава, один грамм материала собирал 0,64 грамма, 0,96 грамма и 1,53 грамма воды при относительной влажности 15, 30 и 60 процентов соответственно.

Для извлечения воды достаточно нагреть пленку до температуры 60 градусов Цельсия. Оказалось, что скорость извлечения практически не зависит от влажности — в диапазоне от 15 до 60 процентов относительной влажности она была постоянной.

Схема и фотография пилотной установки

Guo et al. / Nature Communications, 2022

Чтобы проверить свойства нового материала на практике, Юй и его коллеги собрали небольшую установку: емкость с сорбентом, нагреватель и наклонный конденсатор. При относительной влажности 30 процентов за сутки удалось провести 24 цикла сбора воды (30 минут уходило на сбор и 30 минут на извлечение) а при относительной влажности 15 процентов — 14 циклов (70 минут на сбор, 30 минут на извлечение). При относительной влажности 30 процентов всего получилось собрать 13,3 литра чистой воды на каждый килограмм сорбента, а при относительной влажности 15 процентов — 5,8 литра.