Nel 2017, I chimici della UC Berkeley hanno dimostrato che un nuovo design MOF potrebbe assorbire rapidamente l'acqua anche dall'aria secca, permettendogli di essere condensato e raccolto per bere. Un MOF di seconda generazione può ora passare attraverso l'adsorbimento e il desorbimento in 20 minuti, consentendo la raccolta continua di oltre un litro al giorno per chilogrammo di MOF utilizzando l'energia solare. Il nuovo MOF è la base di un dispositivo progettato per microonde che eroga 7-10 litri al giorno.

Con la scarsità d'acqua un problema crescente in tutto il mondo, Università della California, Berkeley, i ricercatori sono vicini alla produzione di un raccoglitore d'acqua delle dimensioni di un microonde che ti consentirà di estrarre tutta l'acqua di cui hai bisogno direttamente dall'aria, anche con il caldo, deserto secco.

In un articolo apparso questa settimana in Scienze Centrali ACS , una rivista dell'American Chemical Society, Omar Yaghi dell'UC Berkeley e i suoi colleghi descrivono l'ultima versione del loro raccoglitore d'acqua, che può estrarre più di cinque tazze d'acqua (1,3 litri) dall'aria a bassa umidità al giorno per ogni chilogrammo (2,2 libbre) di materiale che assorbe l'acqua, una sostanza molto porosa chiamata struttura metallo-organica, o MOF. Questo è più del minimo richiesto per rimanere in vita.

Durante i test sul campo di tre giorni nell'arido deserto del Mojave in California, la mietitrice ha prodotto in modo affidabile 0,7 litri per chilogrammo di assorbitore al giorno, quasi tre tazze di pulito, puro H ₂ O. È 10 volte migliore rispetto alla versione precedente della mietitrice. La mietitrice funziona 24 ore su 24, 7 giorni su 7, alimentato da pannelli solari e una batteria.

Anche nel giorno più secco nel deserto, con un'umidità relativa estremamente bassa del 7% e temperature superiori a 80 gradi Fahrenheit, la mietitrice ha prodotto sei once (0,2 litri) di acqua per chilogrammo di MOF al giorno.

"È risaputo che per condensare l'acqua dall'aria a bassa umidità, inferiore al 40% di umidità relativa, è necessario raffreddare l'aria fino al punto di congelamento, a zero gradi Celsius, che è poco pratico. Con la nostra mietitrice, lo stiamo facendo a bassissima umidità senza tale raffreddamento; non c'è altro materiale che possa farlo, " disse Yaghi, un professore di chimica dell'UC Berkeley e co-direttore del Kavli Energy NanoSciences Institute. "Questo non è come un deumidificatore, che opera ad alta umidità relativa. Alcuni dicono che 0,7 litri non sono molta acqua. Ma è molta acqua, se non hai acqua."

L'avvio di Yaghi, Water Harvester Inc., sta ora testando e presto commercializzerà un dispositivo delle dimensioni di un forno a microonde in grado di fornire da 7 a 10 litri di acqua al giorno:acqua potabile e per cucinare a sufficienza per due o tre adulti al giorno, sulla base delle raccomandazioni della National Academy of Sciences che gli uomini dovrebbero consumare 3,7 litri e le donne 2,7 litri di liquidi al giorno.

Una versione ancora più grande della mietitrice, uno delle dimensioni di un piccolo frigorifero, fornirà da 200 a 250 litri di acqua al giorno, abbastanza da bere per una famiglia, cucinare e fare la doccia. E in un paio d'anni, l'azienda spera di avere una mietitrice su scala di villaggio che produrrà 20, 000 litri al giorno. Tutto verrebbe alimentato da pannelli solari e una batteria o dalla rete elettrica.

"Stiamo producendo acqua ultrapura, che potenzialmente possono essere resi ampiamente disponibili senza allacciamento alla rete idrica, " disse Yaghi, la cattedra James e Neeltje Tretter presso il College of Chemistry. "Questa mobilità in acqua non è solo fondamentale per chi soffre di stress idrico, ma rende anche possibile l'obiettivo più ampio:l'acqua dovrebbe essere un diritto umano".

La chiave:MOF altamente porosi

L'ingrediente segreto della mietitrice è un tipo di MOF inventato da Yaghi e dai suoi colleghi dell'UC Berkeley che assorbe facilmente e rapidamente l'acqua dall'aria e la scarica altrettanto prontamente in modo che l'acqua possa essere raccolta. MOF, che Yaghi ha sviluppato dalla metà degli anni '90, sono così porosi che un grammo ha una superficie equivalente a un campo da calcio. Altri tipi di MOF catturano l'anidride carbonica dai gas di combustione, catalizzare reazioni chimiche o prodotti petrolchimici separati negli impianti di lavorazione.

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, Africa, Sud America, Messico, 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, Jordan.

"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."