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환경 적응형 MOF
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환경 적응형 MOF

Aug 20, 2023

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4873(2022) 이 기사 인용

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깨끗한 액체 물을 제공하기 위해 MOF(금속-유기 구조) 기반 장치를 사용하여 사막, 건조한 환경에서 수증기를 수확하는 것은 환경과 기후 조건에 따라 크게 달라집니다. 그러나 보고된 장치는 작동 중 이러한 조건에 실시간으로 적응할 수 있도록 개발되었으며, 이는 물 생산 효율성을 심각하게 제한하고 전력 소비를 불필요하게 증가시킵니다. 여기에서 우리는 '적응형 물 수확'이라고 불리는 물 수확 작업 모드를 보고하고 자세히 설명합니다. 이 모드에서는 MOF 기반 장치가 물 수확 주기의 흡착 및 탈착 단계를 주어진 하루 동안의 날씨 변동에 적응시킬 수 있음이 입증되었습니다. 주, 월 단위로 물 생산 효율을 지속적으로 최적화합니다. 사막, 건조한 기후(상대습도 17~32%)에서의 성능 평가 실험에서 적응형 물 수확 장치는 최고 성능의 장치와 비교하여 물 생산량(3.5 LH2O kgMOF−1 d−1)을 169% 증가시켰습니다. 보고된 활성 장치(상대 습도 10~32%에서 0.7–1.3 LH2O kgMOF−1 d−1), 더 낮은 전력 소비(1.67–5.25 kWh LH2O−1), 활성 장치보다 거의 1.5주기가 적게 소요되어 시간이 절약됩니다. 장치. 또한 생산된 물은 잠재적인 기술 채택 국가의 국가 음용 기준을 충족합니다.

기후 변화, 수자원의 부적절한 보호, 관개 농업 관행의 확대, 물 집약적 상품의 수출 증가, 인구 증가1,2,3의 직접적인 결과로 인해 2050년까지 60억 명의 사람들이 물 불안에 직면할 것입니다1,2,3. 세계적인 물 위기를 해결하려고 시도할 때 전통적인 접근 방식은 총 물 수요를 고려하지 않고 국가 물 공급과 물 사용자 요구를 연결하는 것이었습니다1,4. 전 세계적으로 매년 그러한 수요를 충족할 만큼 충분한 담수가 있지만, 물 수요와 가용성의 지리적, 시간적 변동이 큽니다. 이는 물 부족이 발생하고 연중 특정 시기에 변화한다는 것을 의미합니다1,4. 이상적인 첫 번째 단계는 물 부족 국가가 외부 수자원에 대한 의존도를 낮추고 공급을 고갈시키거나 국내에서 지속 가능하게 생산할 수 없는 물 집약적 상품을 수입하는 정책을 개발하는 것입니다1,5. 실제로 이는 큰 영향을 미칠 것입니다. 1996년부터 2005년까지 전 세계 물 발자국의 거의 5분의 1이 국내 소비가 아닌 수출에 사용되었습니다5. 동시에, 물이 부족한 시대에는 무수수, 담수화, 폐수 처리, 재사용, 물의 체계적 감소를 포함하는 물 재생, 생성, 생산 및/또는 전달의 대체 수단을 추구하고 실현해야 합니다. 다양한 형태6,7,8로 수확. 이들 모두 다양한 환경 및 기후 조건에서 국내 수요를 충족하기 위해 물 공급을 보완하는 데 다양한 수준에서 성공적인 것으로 입증되었지만, 신흥 기술 중 하나인 흡착제 기반 대기 물 수확은 포집, 수집 및 응축 분야에서 입증된 잠재력이 뛰어납니다. 농도가 낮은 기후 조건(예: 사막, 건조한 지역)의 수증기9,10,11. 흡착제 기반 대기 물 수확에서 확장된 다공성 결정질 재료의 일종인 금속-유기 구조(MOF)는 관련 상대 습도(RH)에서의 이상적인 수분 흡수 거동 및 용량, 물리흡착의 유리한 동역학 및 열역학을 고려할 때 최고로 군림합니다. 가수분해 안정성12,13,14,15,16.

대기 중 물 수확을 위해 MOF 및 기타 흡착제 재료를 사용할 때 해당 용도를 활용하는 장치에 대해 두 가지 작동 모드가 보고되었습니다. 첫 번째는 RH가 최대인 밤 동안 MOF 침대를 대기 공기에 노출시켜 물을 생성하는 수동 모드입니다. 낮 동안 RH가 최소일 때 햇빛에 의해 생성된 열은 MOF에서 물을 탈착하는 데 사용되며, 이 물은 수동 장치의 주변 벽에 응축됩니다. 수동 모드는 사실상 24시간의 흡착-탈착 주기이며 그 성능은 주어진 RH에서 사용된 MOF의 흡수 용량에 따라 달라집니다. MOF-801(30% RH에서 37wt% 수분 흡수 용량)을 사용할 때 100% 효율로 작동하는 이상적인 수동 장치는 30% RH에서 588mLH2O kgMOF-801−1 d−1을 생성합니다18,19,20,21, 22. 보고된 물 생성 값의 범위는 100~300mLH2OkgMOF-801−1d−1입니다. 이는 수동 장치가 용량의 <51% 효율로 작동하고 있음을 의미합니다. 개인의 일일 요구 사항(≥3.5L)을 충족하는 데 적합한 물 생성을 달성하려면 훨씬 더 많은 재료를 사용해야 합니다(예: 12~35kgMOF-801). 이는 장치 인클로저 형상 및 사이클의 탈착 단계에 필요한 유리 농축기의 크기와 관련하여 결과를 가져옵니다. 예를 들어, 더 높은 68% RH에서 3.5L의 물을 생성하려면 단일 단계 또는 이중 단계 수동 장치의 물리적 인클로저 표면적은 각각 10.3m2 또는 4.54m2가 되어야 합니다. 실용적이지 않습니다 18,19,20,21.

169% increase in water production (3.5 LH2O kgMOF-801−1 d−1) when compared to the best-performing, reported active device (0.7–1.3 LH2O kgMOF−1 d−1 at 10–32% RH), a lower power consumption (1.67–5.25 kWh LH2O−1), and saves time by requiring nearly 1.5 cycles less per d than a counterpart active device23. Furthermore, we demonstrate the adaptive device's ability to continuously and consistently produce water with no loss in performance after more than 1 yr of operation. Finally, a full panel water analysis was performed to assess and then certify, that the produced water met the national drinking standards of a potential water harvesting technology-adopting country (Jordan)./p>10 nm from entering the device and a fan to push the external air through the device (Fig. 1a). An electric heater was placed next to the fan such that during the desorption phase of a given cycle, heated air can provide the necessary energy to release the adsorbed water from the MOF pores and carry that desorbed water vapor at a higher capacity to the condenser. Indeed, air has a maximum water content of 130 g m−3 at 60 °C and 17.3 g m−3 at 20 °C, therefore, heating the air leads to a more than sevenfold increase in the ability of the air to transport the desorbed water vapor24. The first RH and temperature sensor was placed in front of the electric heater to measure the air before it passes through the MOF material (see Supplementary Note 1)./p> 20%, the timing of the desorption phase is relatively the same, but significantly different at RH < 20% (Fig. 3b). Similar to the adsorption phase, when closing the 5 mm outlet in the condensation compartment, a 14–32 min increase in the desorption time was observed, which resulted in a reduction of 7–19 mL cycle−1 water production. From these measurements, a second algorithm was developed to correlate heating time to the external conditions (i.e., RH and temperature) and the power (W) of the electric heater employed (see Supplementary Note 4)./p>1000 cycles (equivalent to ca. 1 yr of operation). As shown in Fig. 5a, the adaptive device produced an appreciable amount of water per WHC (40 mL cycle−1). To confirm the structural stability of MOF-801, powder X-ray diffraction analysis was performed after this stress test was completed, which confirmed that the crystallinity of MOF-801 was retained with the diffraction pattern matching that of the simulated one from the single crystal structure (see Supplementary Note 6)./p>1000 cycles, which is equivalent to ca. 1 year of operation. Source data are provided as a Source Data file./p>1 continuous month. As depicted in Fig. 5b–d, the adaptive device effectively responded to the daily changes in weather conditions and continuously produced appreciable amounts of liquid water under severe desert conditions./p>10% RH), our adaptive device can operate throughout the world, with the notable exception of the Arctic Circle and the Antarctic, to serve the water needs of >2 billion people living without access to safely managed drinking water (SMDW)32. Therefore, to put our cost analysis into a global prospective, a random selection of countries representing lower-middle (Morocco and Nigeria) and upper-middle (Mexico and Jordan) income classification was chosen. Indeed, 31–40, 71–80, 51–60, and 11–20% of the population of Morocco, Nigeria, Mexico, and Jordan, respectively, lives without SMDW and could benefit from access to this technology (Table 2)32. Considering the cost of production together with on-grid electricity costs for these countries, our adaptive water harvesting device can provide financial savings of up to 49%, 63%, 63%, and 46% in water costs in Morocco, Nigeria, Mexico, and Jordan, respectively (Table 2)./p>