MOF ambientalmente adaptable

Nature Communications volumen 13, Número de artículo: 4873 (2022) Citar este artículo

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La recolección de vapor de agua de entornos áridos y desérticos mediante dispositivos basados en estructura metal-orgánica (MOF) para suministrar agua líquida limpia depende en gran medida de las condiciones ambientales y climáticas. Sin embargo, los dispositivos informados aún se han desarrollado para adaptarse en tiempo real a tales condiciones durante su operación, lo que limita severamente la eficiencia de producción de agua y aumenta innecesariamente el consumo de energía. En este documento, informamos y detallamos un modo de operación de recolección de agua, denominado "recolección de agua adaptativa", a partir del cual se demuestra que un dispositivo basado en MOF es capaz de adaptar las fases de adsorción y desorción de su ciclo de recolección de agua a las fluctuaciones climáticas a lo largo de un día determinado. semana y mes de manera que su eficiencia de producción de agua se optimice continuamente. En experimentos de evaluación del rendimiento en un desierto, clima árido (17–32 % de humedad relativa), el dispositivo adaptativo de recolección de agua logra un aumento del 169 % en la producción de agua (3,5 LH2O kgMOF−1 d−1) en comparación con el dispositivo de mejor rendimiento, dispositivo activo reportado (0.7–1.3 LH2O kgMOF−1 d−1 a 10–32 % de humedad relativa), un menor consumo de energía (1.67–5.25 kWh LH2O−1) y ahorra tiempo al requerir casi 1.5 ciclos menos que un equivalente activo dispositivo. Además, el agua producida cumple con los estándares nacionales de consumo de un país potencial de adopción de tecnología.

Seis mil millones de personas se enfrentarán a la inseguridad del agua para 2050 como consecuencia directa del cambio climático, la protección inadecuada de los recursos hídricos, la expansión de las prácticas agrícolas de riego, el aumento de la exportación de productos básicos intensivos en agua y una población humana en crecimiento1,2,3. Al intentar abordar la crisis mundial del agua, el enfoque tradicional ha sido emparejar los suministros de agua nacionales con las necesidades de los usuarios de agua sin tener en cuenta las demandas totales de agua1,4. Aunque hay suficiente agua dulce disponible para satisfacer dicha demanda anualmente a nivel global, las variaciones geográficas y temporales de la demanda y disponibilidad de agua son grandes, lo que significa que la escasez de agua ocurre y cambia durante épocas específicas del año1,4. Un primer paso ideal sería que los países con escasez de agua reduzcan su dependencia de los recursos hídricos externos y desarrollen políticas para importar productos básicos que requieran mucha agua y que, de lo contrario, agoten los suministros o no se puedan producir de manera sostenible en el país1,5. De hecho, esto sería impactante; entre 1996 y 2005, casi una quinta parte de la huella hídrica mundial se dedicó a la exportación en lugar del consumo interno5. Paralelamente, durante esos tiempos de escasez de agua, se deben buscar y realizar medios alternativos de recuperación, creación, producción y/o suministro de agua, que incluyen la reducción sistémica del agua no facturada, la desalinización, el tratamiento y la reutilización de aguas residuales, y el agua. cosecha en diferentes formas6,7,8. Si bien todos estos han demostrado ser exitosos en diversos grados para complementar el suministro de agua para satisfacer la demanda doméstica en diferentes condiciones ambientales y climáticas, una tecnología emergente, la recolección de agua atmosférica basada en adsorbentes, se destaca por su potencial comprobado para capturar, recolectar y condensar vapor de agua en condiciones climáticas donde su concentración es baja (es decir, desierto, regiones áridas)9,10,11. En la captación de agua atmosférica basada en adsorbentes, las estructuras organometálicas (MOF), una clase de materiales cristalinos porosos extendidos, reinan de manera suprema debido a su comportamiento ideal de absorción de agua y su capacidad a humedades relativas (HR) relevantes, cinética favorable y termodinámica de fisisorción, y estabilidad hidrolítica12,13,14,15,16.

Cuando se emplean MOF, así como otros materiales adsorbentes, para la recolección de agua atmosférica, se han informado dos modos de operación para dispositivos que aprovechan su uso17. El primero es un modo pasivo, en el que se genera agua al exponer un lecho de MOF al aire atmosférico durante la noche cuando la HR es máxima18,19,20,21. Durante el día, cuando la HR es mínima, el calor generado por la luz solar se usa para desorber el agua del MOF, donde luego se condensa en las paredes circundantes del dispositivo pasivo. El modo pasivo es efectivamente un ciclo de adsorción-desorción de 24 h y su rendimiento depende de la capacidad de absorción del MOF empleado a una HR determinada. Cuando se utiliza MOF-801 (capacidad de absorción de agua del 37 % en peso al 30 % de HR), un dispositivo pasivo ideal que funciona al 100 % de eficiencia produciría 588 mLH2O kgMOF-801−1 d−1 al 30 % de HR18,19,20,21, 22 Los valores de generación de agua informados oscilan entre 100 y 300 mLH2O kgMOF-801−1 d−1, lo que significa que el dispositivo pasivo funciona con una eficiencia de <51 % de su capacidad. Para lograr una generación de agua que sea adecuada para satisfacer las necesidades diarias de una persona (≥3,5 L), se debe utilizar una cantidad considerablemente mayor de material (p. ej., 12–35 kgMOF-801). Esto tiene consecuencias con respecto a la geometría del recinto del dispositivo y el tamaño de los concentradores de vidrio requeridos para la etapa de desorción del ciclo. Por ejemplo, para generar 3,5 L de agua con una HR superior al 68 %, el área de superficie del recinto físico de un dispositivo pasivo de una o dos etapas tendría que ser de 10,3 o 4,54 m2, respectivamente, que es simplemente demasiado grande y no práctico18,19,20,21.

El segundo modo de funcionamiento es activo, en el que se genera continuamente agua a partir del aire a través de múltiples ciclos de adsorción-desorción que se producen en un día determinado23. En el modo activo, la fase de adsorción comienza forzando el aire a través del lecho de material mediante un ventilador durante un período de tiempo determinado. La desorción por una fuente de calor adicional ocurre en cualquier momento para liberar el agua capturada y se utiliza un sistema de refrigeración por compresión de vapor para condensar el vapor de agua. El modo activo depende de la capacidad de agua dinámica del MOF empleado, que, a su vez, afecta la tasa de ciclo y la cantidad de agua generada diariamente23. Los dispositivos activos informados pueden generar hasta 1,3 LH2O kgMOF−1 d−1 a 32 % de HR y 27 °C, una cantidad que es cuatro veces mayor que la que puede lograr un dispositivo pasivo en las mismas condiciones23. Aunque esta es una mejora significativa sobre el modo pasivo de operación, la generación de agua sigue siendo insuficiente por kgMOF utilizado para satisfacer las necesidades de consumo diario.

En este documento, informamos la ingeniería de diseño de un dispositivo de recolección de agua que utiliza MOF-801 que amplía los modos de operación más allá del pasivo y el activo a la 'recolección de agua adaptativa' (Fig. 1). Este modo de funcionamiento se basa en el activo anterior, en el que el dispositivo lleva a cabo varios ciclos de recolección de agua (WHC; a veces denominado simplemente "ciclo") por día, pero con la diferencia fundamental de que el modo adaptativo optimiza la sincronización y la eficiencia. de cada WHC en función de las condiciones ambientales externas en tiempo real. En experimentos de evaluación del rendimiento en un clima árido y desértico (17–32 % de HR), el dispositivo adaptativo tuvo un aumento >169 % en la producción de agua (3,5 LH2O kgMOF-801−1 d−1) en comparación con el dispositivo de mejor rendimiento, dispositivo activo informado (0,7–1,3 LH2O kgMOF−1 d−1 a 10–32 % de HR), un menor consumo de energía (1,67–5,25 kWh LH2O−1) y ahorra tiempo al requerir casi 1,5 ciclos menos por día que una contraparte dispositivo activo23. Además, demostramos la capacidad del dispositivo adaptativo para producir agua de forma continua y constante sin pérdida de rendimiento después de más de 1 año de funcionamiento. Finalmente, se realizó un análisis de agua de panel completo para evaluar y luego certificar que el agua producida cumplía con los estándares nacionales de consumo de agua de un país que podría adoptar la tecnología de recolección de agua (Jordania).

un esquema del dispositivo recolector de agua que se detalla en este documento, que se compone de tres compartimentos modulares: compartimento de entrada de aire que alberga un filtro de aire, un ventilador y un calentador eléctrico; compartimento de sorción que contiene el adsorbente MOF-801 en bandejas revestidas de aluminio; y compartimiento de condensación que contiene un condensador y un embudo de recolección de agua. b Fotografías del dispositivo recolector de agua con etiquetas de diferentes componentes críticos.

Para ampliar el alcance de la recolección de agua basada en adsorbentes, construimos un dispositivo modular de tres compartimentos que se basa en el modo de operación activo. Como se demostrará, el diseño juega un papel importante en la mejora del rendimiento del proceso de captación de agua. El primer compartimento, denominado compartimento de entrada de aire, contiene un filtro de aire que evita que las partículas sólidas con un tamaño > 10 nm entren en el dispositivo y un ventilador para empujar el aire externo a través del dispositivo (Fig. 1a). Se colocó un calentador eléctrico al lado del ventilador para que durante la fase de desorción de un ciclo dado, el aire calentado pueda proporcionar la energía necesaria para liberar el agua adsorbida de los poros de MOF y llevar ese vapor de agua desorbido a una mayor capacidad al condensador. De hecho, el aire tiene un contenido máximo de agua de 130 g m−3 a 60 °C y de 17,3 g m−3 a 20 °C, por lo tanto, calentar el aire aumenta más de siete veces la capacidad del aire para transportar el agua desorbida. vapor24. El primer sensor de temperatura y HR se colocó frente al calentador eléctrico para medir el aire antes de que pase a través del material MOF (consulte la Nota complementaria 1).

El segundo compartimento, denominado compartimento de sorción, estaba conectado directamente al compartimento de entrada de aire en serie y contenía ocho bandejas (con espacio para añadir más) colocadas en paralelo al flujo de aire (Fig. 1). Cada bandeja se revistió con aluminio (2 mm de espesor) para aumentar el transporte de calor y facilitar la desorción del agua. El aluminio tiene una conductividad térmica mucho mayor (KAl = 205 W m−1 K−1 frente a Kacrylic = 0,2 W m−1 K−1) y, al aplicar la Ley de Fourier, tendrá una conducción de calor 1000 veces mayor para alcanzar el mismo diferencia de temperatura en comparación con acrílico25. Para este dispositivo, se eligió MOF-801 debido a su alta absorción de agua de 22,5 y 37 % en peso a 10 y 30 % de HR, respectivamente, y su punto de inflexión α adecuado (P/P0 = 0,07) que destaca la capacidad del material para adsorber agua en ambientes áridos22. Además, la adsorción de agua por MOF-801 es totalmente reversible sin que se observe histéresis en la desorción y su entalpía de adsorción de agua suave de 60 kJ mol-1 significa que no incurre en una gran penalización de energía en la regeneración (consulte la Nota complementaria 2)22. El compartimento de sorción se construyó para contener de 100 g a 10 kg de MOF-801 para mediciones de rendimiento y tiene dos sensores colocados en la parte superior e inferior.

El tercer compartimento, denominado compartimento de condensación, estaba conectado directamente al compartimento de sorción y contenía un condensador que sirve como evaporador de un ciclo de compresión-refrigeración de vapor más grande. El condensador se coloca dentro de un embudo que se utiliza para recolectar el agua líquida condensada y transportarla a la unidad de mineralización y filtración que se encuentra debajo (Fig. 1). Se incorporó un orificio de salida de 5 mm en la parte inferior de este compartimento para evitar cualquier contrapresión, pérdida por fricción o caída de presión. Además, este orificio no solo asegura un flujo continuo de aire caliente entrante, sino que también fuerza el agua condensada hacia la unidad de mineralización y filtración. El compartimiento de condensación tiene un sensor que se coloca antes del condensador para tomar medidas de HR y temperatura del aire después de haber estado expuesto a la cama MOF-801 (Fig. 1b).

Después de construir el dispositivo, buscamos probar su rendimiento en la generación de agua a baja HR a través de un modo de operación activo. Un ciclo activo de recolección de agua (WHC) se definió de la siguiente manera: fase de adsorción de 40 min (una fase de adsorción se define simplemente como la extracción de aire por parte del ventilador desde el entorno externo a través de los tres compartimentos) seguida de una fase de desorción de 20 min (una fase de desorción se define de manera similar a la fase de adsorción pero con el calentador eléctrico encendido) que se repitió dos veces momento en el que se llevó a cabo la fase de regeneración antes de reiniciar el siguiente WHC (regeneración se define como 15 min de flujo de aire sin calor, 10 min con sin enfriamiento del condensador para recoger las gotas de agua y 5 min sin ventilador para equilibrar el dispositivo antes de iniciar el siguiente WHC). Se observa que los tiempos para cada fase se concluyeron en base a mediciones preliminares que proporcionaron indicaciones visuales de la producción de agua en función del tiempo (ver la Nota complementaria 3). Con base en esta definición WHC activa, nuestro dispositivo de recolección de agua se examinó en una variedad de condiciones ambientales (HR del 10 al 70 % y de 15 a 35 °C) y se demostró que es capaz de producir de 1,2 a 2,6 L de agua por día con un consumo de energía de 3–7 kWh L−1 (ver Nota Complementaria 3).

La importancia de usar MOF para la recolección de agua atmosférica funcional y eficiente es su capacidad para concentrar de manera efectiva el vapor de agua en el aire, lo que resulta en un aumento del punto de rocío13,14,15. Es importante señalar aquí que la literatura previa se ha centrado exclusivamente en la HR como base para la producción de agua sin considerar el efecto de la temperatura9,10,11,18,19,20,21. De hecho, para los procesos de recolección de agua atmosférica, tanto la HR como la temperatura deben considerarse a través del valor del punto de rocío. De hecho, el punto de rocío refleja la cantidad real de agua en el aire en un momento dado y, por lo tanto, todas las discusiones posteriores se basarán en el punto de rocío como base para la producción de agua. Este concepto se visualiza fácilmente cuando se grafican los datos de desorción del sensor en el compartimiento de condensación para las ejecuciones de prueba de nuestro dispositivo basado en MOF-801 en un gráfico psicrométrico a 101,3 kPa. Como se muestra en la Fig. 2, cuando el dispositivo funciona con condiciones externas de 30 % de HR y 22 °C, el punto de rocío corresponde a 3,6 °C. Una vez completada la fase de adsorción, para iniciar la desorción de agua de los poros de MOF-801, se aplicó calentamiento durante 10 minutos, lo que llevó a un aumento del punto de rocío a 8,3 °C. Además, 10 minutos adicionales de calentamiento condujeron a un punto de rocío aún más alto de 11,2 °C. Este aumento aparentemente pequeño en el punto de rocío tiene un gran impacto en el consumo de energía del condensador en comparación con el enfriamiento directo del aire sin usar MOF-801 (es decir, una reducción del 55 %) (consulte la Nota complementaria 3). Cualquier calentamiento adicional más allá de este punto es superfluo y puede considerarse una pérdida de energía, ya que dicho calentamiento no conduce a un mayor aumento del punto de rocío y, por lo tanto, señala el final de la fase de desorción (20 minutos de calentamiento total). Esto plantea la pregunta: si las condiciones externas difieren de las medidas aquí, ¿qué impacto tiene eso en el tiempo prescrito para llevar a cabo las fases de adsorción y desorción de un WHC determinado? De hecho, es fácil imaginar que estas fases de sorción del dispositivo no se adaptan ni están optimizadas para una amplia gama de condiciones.

La respuesta del compartimiento de condensación para la fase de desorción de un WHC que se muestra en un gráfico psicrométrico en un punto de partida cuyas condiciones ambientales eran 30% HR y 22 °C (azul). Optimizar el calentamiento durante 10 (verde) y 20 min (naranja) aumenta el punto de rocío en 4,7 y 7,6 °C, respectivamente. Este aumento en el punto de rocío tiene un gran impacto en el consumo de energía del condensador. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen.

Con base en las limitaciones del modo activo, luego buscamos desarrollar un tercer modo de operación, denominado 'recolección de agua adaptativa'. El concepto fundamental de este modo adaptativo es medir la HR y la temperatura del ambiente externo y combinarlas a través del valor del punto de rocío. Luego, el dispositivo de recolección de agua se programó para leer este punto de rocío medido en tiempo real e instruir a sus operaciones de fase de adsorción y desorción para reaccionar de acuerdo con ese valor. En principio, esto producirá la mayor cantidad de agua porque la tasa de ciclo es adaptable y maximizada para la productividad por tiempo de d.

El primer paso en el desarrollo del dispositivo adaptativo fue comprender el tiempo necesario para que MOF-801 (400 g) alcanzara la saturación total en cualquier condición ambiental dada. Para ello, se llevó a cabo un proceso completo de desorción para MOF-801 forzando aire caliente a 80 °C a través del compartimento de sorción durante 2 h. Luego se expuso MOF-801 al aire en condiciones severas (35–40 °C y 15, 18 y 26 % de HR) y se registró la respuesta del punto de rocío en el compartimiento del condensador. Como se muestra en la Fig. 3a, el punto de rocío disminuye a un valor de estado estable en función del tiempo antes de regresar de manera constante a un valor basado en las condiciones ambientales externas (consulte la Nota complementaria 4). Dado que la diferencia entre los valores de punto de rocío inicial y de estado estable refleja la cantidad de agua adsorbida por MOF-801, se puede dilucidar el momento requerido de la fase de adsorción. Por ejemplo, con una HR del 26 % y una temperatura de punto de rocío de 14 °C, el aire tiene una humedad absoluta (es decir, la cantidad real de agua en el aire) de 11,4 gH2O m−3. Si el tiempo de adsorción se extiende a 51 min, se alcanza un valor de punto de rocío de estado estacionario de 3,4 °C con una humedad absoluta de 5,29 gH2O m−3, lo que se correlaciona con 300 gH2O adsorbidos dentro de MOF-801 durante ese tiempo (Fig. 3a). Reduciendo el tiempo de adsorción a 21 min, que es el comienzo del valor del punto de rocío en estado estacionario (a los 21 min el punto de rocío = 5,1 °C), luego, por el mismo razonamiento, se adsorben 280 gH2O dentro de MOF-801. Aunque esto es un 7% menos de cantidad de agua adsorbida, la diferencia de tiempo es significativa. Además, también se identificaron los inicios de los valores de punto de rocío en estado estacionario para mediciones a 18 y 15 % de HR con respecto al tiempo (17,5 y 15 min) y se correlacionaron con la cantidad de agua adsorbida (220 y 180 gH2O, respectivamente). Notamos que cerrar la salida de 5 mm en el compartimiento de condensación obliga al aire a regresar al compartimiento de entrada de aire, lo que lleva a un aumento de 12 a 27 minutos en el tiempo de adsorción. Como el perfil de la isoterma de sorción de agua para MOF-801 (recuadro de la Fig. 3a) indica que la saturación de absorción total se produce a ca. 40 % de HR, las HR medidas en este experimento proporcionan una representación satisfactoria del rendimiento de adsorción del material. A partir de estos datos, se desarrolló un algoritmo para garantizar que la fase de adsorción del WHC funcione utilizando el tiempo de adsorción mínimo necesario para alcanzar el inicio del punto de rocío en estado estacionario en cualquier condición ambiental (consulte la Nota complementaria 4).

a La respuesta del punto de rocío del compartimiento de condensación para la fase de adsorción en un WHC. Se muestra el tiempo de adsorción relativo necesario para una variedad de condiciones ambientales: 15 (círculos morados), 18 (cuadrados verdes) y 26 % de HR (triángulos azules). Estas mediciones de adsorción se realizaron en un rango de temperatura de 35 a 40 °C. El recuadro es la isoterma de sorción de agua para MOF-801 a 25 °C con la capacidad de absorción de agua resaltada de acuerdo con esas mismas condiciones ambientales. b La respuesta del punto de rocío de la fase de desorción en función del tiempo de calentamiento relativo registrado en el compartimiento de condensación para diversas condiciones ambientales: 14 (estrellas naranjas), 30 (cuadrados rosas), 34 (triángulos azules) y 45 % de HR (círculos morados) . Estos experimentos de desorción se realizaron en un rango de temperatura de 20 a 25 °C. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen.

El seguimiento del tiempo de la fase de desorción es relativamente sencillo. El dispositivo se preparó para esta medición realizando una fase de adsorción para garantizar que MOF-801 (400 g) estuviera completamente saturado con agua. Al comenzar la fase de desorción y monitorear el sensor colocado en el compartimiento de condensación, MOF-801 liberó vapor de agua de sus poros al observar que el punto de rocío del aire aumentaba al máximo. Alcanzar este máximo finalmente señaló el final de la fase de desorción, momento en el que se observó una disminución gradual hasta que este valor del punto de rocío interno fue equivalente al valor del punto de rocío externo (Fig. 3b). Observamos que la fase de desorción se probó a bajas temperaturas (20–25 °C) y HR variable (14, 30, 34 y 45 % HR), por lo que todas las mediciones exhibieron el mismo comportamiento, pero con diferentes tasas de cambio en punto de rocío. En general, una HR más alta resultó en una mayor absorción de agua y requirió un tiempo de desorción más prolongado. De acuerdo con la isoterma de sorción de agua de MOF-801, ca. El 79 % de la capacidad de absorción total se alcanza con una HR del 20 %. Esto significa que a HR > 20 %, el momento de la fase de desorción es relativamente el mismo, pero significativamente diferente a HR < 20 % (Fig. 3b). De manera similar a la fase de adsorción, al cerrar la salida de 5 mm en el compartimiento de condensación, se observó un aumento de 14 a 32 min en el tiempo de desorción, lo que resultó en una reducción de 7 a 19 mL de producción de agua ciclo−1. A partir de estas mediciones, se desarrolló un segundo algoritmo para correlacionar el tiempo de calentamiento con las condiciones externas (es decir, HR y temperatura) y la potencia (W) del calentador eléctrico empleado (consulte la Nota complementaria 4).

Usando datos de temperatura y HR de sensores ubicados en todo el recinto, el dispositivo aplica los dos algoritmos de fase de adsorción y desorción adaptables para controlar los tiempos de estas fases en función de las condiciones ambientales externas (es decir, HR y temperatura). Para evaluar el rendimiento de este modo de operación adaptable frente al modo activo anterior, cargamos dos dispositivos idénticos con 400 g de MOF-801 y programamos la operación de cada dispositivo de acuerdo con las Figs. 26 y 31. Bajo las mismas condiciones, el rendimiento de ambos dispositivos en términos de cambio en la HR en función del tiempo se presenta en la Fig. 4a, b para un tiempo total de 14 h que abarca una parte del día hasta la noche. Durante este período, las HR externas más bajas y más altas se midieron en 19 % y 46 %, respectivamente. Curiosamente, se encontró que el primer ciclo del dispositivo adaptativo con condiciones externas de 23 % de HR y 25 °C fue 46,5 min más rápido que el dispositivo activo, lo que demuestra su capacidad para adaptarse y mejorar la tasa de WHC.

a Respuesta de humedad relativa (HR) para los dispositivos activos (naranja) y adaptativos (púrpura) que funcionan en las mismas condiciones ambientales (20–46 % HR) durante una parte arbitraria del mismo día. El tiempo del ciclo demuestra el rendimiento optimizado del dispositivo adaptativo a lo largo del día con menos tiempo consumido por ciclo. b Perfil de diferencia de tiempo entre los ciclos realizados por los dispositivos adaptativo y activo con cambios en la HR ambiental a lo largo del día. A medida que aumenta la HR ambiental (azul), la diferencia de tiempo de ciclo adaptativo y activo disminuye (verde). c Los principios conceptuales que subyacen a las diferencias en las tasas de ciclismo para los dispositivos adaptativos y activos. En baja HR, la fase de adsorción preprogramada del dispositivo activo (naranja) se desperdicia después de alcanzar la capacidad máxima de absorción del material. En el dispositivo adaptativo (púrpura), una vez que se alcanza la máxima capacidad de absorción del material durante la fase de adsorción, comienza inmediatamente la fase de desorción. d En HR alta, el tiempo de la fase de adsorción preprogramada de un dispositivo activo (naranja) es menor que el tiempo requerido para alcanzar la capacidad máxima de absorción del material. El dispositivo adaptativo aumenta el tiempo de la fase de adsorción para lograr la máxima capacidad de absorción del material para producir más agua. La isoterma de adsorción de agua para MOF-801 a 25 °C se proporciona como recuadros para correlacionar la capacidad de absorción potencial en condiciones de HR baja (X roja) o alta (Y roja) con tasas de ciclo para los dispositivos adaptativos y activos22. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen.

Cuando se considera que la capacidad de absorción de agua de un material adsorbente está limitada por la HR independientemente del tiempo de ciclo prolongado, las ventajas del modo de operación adaptativo se vuelven claras. En condiciones de HR baja, el dispositivo adaptativo alcanzará su capacidad máxima a la HR especificada, momento en el que comenzará inmediatamente la fase de desorción sin consumir más tiempo en la fase de adsorción. Sin embargo, para el dispositivo activo en estas mismas condiciones, el adsorbente alcanzará su capacidad máxima más rápido. Por lo tanto, se desperdicia el tiempo preprogramado restante para la fase de adsorción. Un razonamiento similar se puede extender a la fase de desorción. La menor absorción de agua por ciclo en el modo de operación adaptativo requiere un tiempo de desorción más corto que el tiempo de desorción preprogramado utilizado en el modo de operación activo (Fig. 4c).

A medida que la HR aumenta a lo largo del día y la noche, la diferencia en las tasas de ciclo se vuelve indistinguible (p. ej., <3 min para el ciclo 9 a 46 % de HR y 25 °C). Esto se debe a que un aumento de la HR durante la noche aumenta la absorción de agua de MOF-801, lo que, a su vez, aumenta los tiempos de las fases de adsorción y desorción del dispositivo adaptativo (Fig. 4a). En condiciones de alta HR, el modo de operación adaptativo alcanzará la capacidad máxima de MOF-801 y, una vez alcanzada, comenzará inmediatamente la fase de desorción. Para las mismas condiciones, el tiempo preprogramado para la fase de adsorción del modo activo de operación no será suficiente para alcanzar la capacidad máxima de MOF-801, lo que conducirá a una menor producción de agua (Fig. 4d).

A partir de esta comparación, se demostró que el dispositivo adaptativo produce un 26 % más de agua (3,52 LH2O kgMOF-801−1 d−1) que nuestro dispositivo activo (2,6 LH2O kgMOF-801−1 d−1) en las mismas condiciones climáticas. Por ejemplo, en el ciclo 3, la diferencia de HR durante la fase de adsorción del dispositivo adaptativo fue del 39 % en comparación con el 28 % calculado para el dispositivo activo. Este es un aumento del 36% en la adsorción de agua por MOF-801 durante este WHC. De manera similar, en el ciclo 3, la diferencia de HR durante la fase de desorción de los dispositivos adaptativo y activo fue del 37 % y 26 %, respectivamente, lo que representa un aumento del 45 % en el agua desorbida por el dispositivo adaptativo. Como resultado del aumento de las tasas de WHC, el dispositivo adaptativo logró una reducción del 44 % en la potencia consumida por WHC en condiciones de baja HR (20 %) en comparación con el dispositivo activo (consulte la Nota complementaria 5). Al operar en condiciones de HR alta (46 %), el dispositivo adaptativo logró una reducción del 26 % en la energía consumida por WHC con respecto al dispositivo activo. En general, el dispositivo adaptable consumió de 1,67 a 5,25 kWh LH2O−1 según las condiciones climáticas de ese día específico (19 a 46 % de HR) y ahorró un tiempo considerable al requerir 1,5 ciclos menos que el dispositivo activo. La Figura 4b muestra la variación del tiempo de ciclo a medida que la HR varía durante el día.

En comparación con otros dispositivos de captación de agua impulsados por adsorbentes, nuestro dispositivo adaptativo basado en MOF-801 reduce la cantidad de material adsorbente necesario para producir suficiente agua necesaria para satisfacer las necesidades diarias de consumo personal (3,5 L) en un 75 %, 73 % y 57 % con respecto a dispositivos basados en geles súper absorbentes de humedad, películas de polímeros súper higroscópicos y sales higroscópicas en una matriz derivada de hidrogel, respectivamente (Tabla 1)26,27,28. Además, nuestro dispositivo adaptable reduce drásticamente el consumo de energía en un 60 % en comparación con el dispositivo de referencia basado en películas de polímero superhigroscópicas, al mismo tiempo que mantiene una huella física más pequeña (Tabla 1).

Es bien sabido que la producción de agua depende directamente de la cantidad de MOF en los recolectores de agua que funcionan en modo pasivo. Sin embargo, la dependencia directa del modo activo de operación no está clara y aún debe probarse debido a las limitaciones del tamaño del compartimento y los requisitos de consumo de energía al aumentar ese tamaño. Para evaluar esta dependencia en el modo de operación adaptativo, se realizó un experimento de control mediante el cual la salida de producción de agua se correlacionó con la cantidad de MOF-801 cargada en el dispositivo. Específicamente, el dispositivo se cargó gradualmente con MOF-801 desde 0 g (dispositivo vacío) hasta 100, 200 y 400 gy posteriormente se operó en condiciones ambientales controladas de 20, 30 y 40 % de HR. La producción de agua para el dispositivo cargado (o no) con cada cantidad se midió tres veces durante 24 h para cada condición de clima controlado con el rendimiento promedio presentado en la Fig. 32 complementaria. Con 50 % de HR y 400 gMOF-801, el dispositivo produjo 870 mLH2O en comparación con 420 y 190 mLH2O al usar 200 y 100 gMOF-801, respectivamente. Cuando el dispositivo estaba vacío (0 g de MOF-801), el condensador se ajustó a 8–11 °C (es decir, el punto de rocío cuando se usa MOF; Fig. 2), lo que condujo a una producción de agua de <2 mL. Se observó una tendencia similar para las otras condiciones medidas y se estableció la dependencia de la cantidad de MOF en la producción de agua.

Con base en este experimento, nuestro dispositivo requiere aproximadamente 1,6 kgMOF para producir suficiente agua para satisfacer las necesidades de consumo personal, que es significativamente menor que lo que se necesita para los dispositivos activos de recolección de agua basados en MOF informados (≥2,9 kgMOF requeridos) y los 12–35 kgMOF necesarios para que los dispositivos pasivos alcancen la misma cantidad de producción (Tabla 1). Cuando se toma junto con las consideraciones del tamaño del compartimento, el diseño físico de nuestro dispositivo es claramente ventajoso.

La estabilidad del agua a largo plazo y la capacidad de sorción son condiciones previas para usar MOF en aplicaciones de recolección de agua29. Aunque las propiedades fisicoquímicas de los MOF juegan un papel fundamental en la determinación de su vida útil, la ingeniería del dispositivo debe considerarse como un factor de influencia potencial (positivo o negativo) de las propiedades de los MOF y la vida útil resultante para su uso. Por ejemplo, el dispositivo puede optimizar la transferencia de calor y el flujo de aire, lo que disminuirá la tensión en el material MOF. Además, el modo de operación adaptativo asegura que las tasas de ciclo resulten en un rendimiento máximo sin exceder la estabilidad del material. Para demostrar el rendimiento a largo plazo de nuestro dispositivo adaptativo, realizamos una prueba de esfuerzo de 24 h en condiciones extremas (22 % de HR y 25 °C) después de que el dispositivo hubiera realizado >1000 ciclos (equivalente a aproximadamente 1 año de funcionamiento). Como se muestra en la Fig. 5a, el dispositivo adaptativo produjo una cantidad apreciable de agua por WHC (40 mL ciclo-1). Para confirmar la estabilidad estructural de MOF-801, se realizó un análisis de difracción de rayos X en polvo después de completar esta prueba de estrés, lo que confirmó que la cristalinidad de MOF-801 se retuvo con el patrón de difracción que coincidía con el simulado del monocristal. estructura (ver Nota Complementaria 6).

a Prueba de esfuerzo durante 24 h realizada en ambiente controlado (20% HR y 25 °C). El dispositivo adaptativo es consistente en la producción de agua sin pérdida de rendimiento. b Evaluación del desempeño en el entorno real durante un día completo que demuestra el desempeño adaptativo en función de las fluctuaciones día-noche en las condiciones ambientales. c Rendimiento continuo en entorno real durante una semana. d Supervisión de la respuesta del compartimento de condensación para demostrar el rendimiento del dispositivo adaptativo durante un mes de funcionamiento continuo. Todos los datos se recopilaron en el dispositivo adaptativo después de haber realizado >1000 ciclos, lo que equivale a aprox. 1 año de funcionamiento. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen.

En general, la recolección de agua atmosférica en regiones áridas y desérticas es difícil, si no prácticamente imposible para otras tecnologías convencionales de recolección de agua, debido a la baja humedad relativa17,30. Esto se debe a que las técnicas convencionales de recolección de agua (p. ej., enfriamiento directo del aire, condensación, nebulización) requieren una enorme cantidad de energía para ser efectivas en estas condiciones climáticas8,31. El atractivo de la recolección de agua basada en MOF es el hecho de que estos materiales pueden capturar selectivamente el vapor de agua a baja HR, concentrarlo y liberarlo para aumentar el punto de rocío con fines de condensación17. Por lo tanto, para demostrar la utilidad de nuestro dispositivo adaptativo, llevamos a cabo un experimento en el que el dispositivo (400 g de MOF-801) se expuso al aire natural del desierto en Amman, Jordania (17 % de HR y 25 °C) durante 24 horas. H.

A partir de este experimento, observamos que durante la HR baja del día del desierto, el dispositivo adaptativo produjo 52 mL ciclo−1, lo cual es significativo dadas las condiciones climáticas extremas del desierto. La cantidad de producción se duplica por WHC durante las condiciones de HR más alta (50–60 % HR) de la noche del desierto (105 mL ciclo−1). Para impulsar este experimento aún más, operamos continuamente el dispositivo en un entorno árido y desértico durante 1 semana continua que se extendió a> 1 mes continuo. Como se muestra en la Fig. 5b–d, el dispositivo adaptable respondió de manera efectiva a los cambios diarios en las condiciones climáticas y produjo continuamente cantidades apreciables de agua líquida en condiciones severas del desierto.

Antes de que el agua condensada pueda usarse para consumo personal, el agua se filtró por gravedad y se mineralizó a través de una columna que contenía capas alternas (2–3 mm) de carbón activado, arena y piedra caliza. Luego se llevó a cabo un panel de análisis de agua completo para evaluar si el agua recolectada cumplía con los estándares nacionales de consumo de agua de Jordania. El primer análisis siguió los Métodos estándar para el examen de agua y aguas residuales (SM 3120-B, 4110-B, 3111-B y 31112-B), en los que la identificación y la concentración de metales se determinaron mediante espectroscopia de emisión óptica acoplada inductivamente. En concreto, se analizó el agua para: Al (<0,1 ppm), Na (5,7 ppm), Pb (<0,01 ppm), Cd (<0,003 ppm), Cu (<0,05 ppm), Mn (<0,05 ppm), As (<0,01 ppm), Zn (3,58 ppm), Fe (<0,1 ppm), Sb (<0,002 ppm), Mo (<0,01 ppm), Zr (<0,1 ppm), B (<0,1 ppm), Se (< 0,04 ppm), Ba (<0,1 ppm), Cr (<0,02 ppm), Hg (<0,001 ppm), Ag (<0,1 ppm) y Ni (<0,05 ppm). Como se indicó, todos estaban por debajo de los límites de especificación de las normas nacionales de consumo de alcohol. A continuación, se determinó el contenido de compuestos orgánicos volátiles siguiendo los mismos métodos estándar. Para ello se determinaron las concentraciones de benceno (<10 ppm), xileno total (<20 ppm), tricloroeteno (<20 ppm), tetracloroeteno (<20 ppm), etilbenceno (<20 ppm) y tolueno (<20 ppm). se determina que es menor que los límites de especificación. Finalmente, se realizó el análisis microbiológico (SM 9213 E, 9230 B, 10200, 9215 AB), en el que se determinó el contenido de pseudomonas aeruginosa (<1 unidad formadora de colonias 100 mL−1; UFC), estreptococos fecales (<1,1 más probable número; 100 mL−1; MPN), enterococo fecal (<1,1 MPN 100 mL−1), tipo de algas y recuento (no visto); y el recuento heterotrófico en placa (8,3 × 102 CFU mL−1) se determinó para cumplir con los estándares nacionales. Los resultados detallados y la certificación del agua recolectada para cumplir con los estándares jordanos de agua potable se proporcionan en la Nota complementaria 7.

Con base en una producción teórica de 100 dispositivos, calculamos que el costo de producir un solo dispositivo que se carga con 1 kg de MOF-801 es aprox. $625 USD (ver Nota Complementaria 8). Suponiendo una vida útil del dispositivo de 10 años y tomando la producción promedio de agua para el dispositivo adaptativo de recolección de agua por día (2,65 L), a este costo de producción, se proyecta que el precio fuera de la red por LH2O producido sea de 6,4 centavos de dólar estadounidense y el costo del dispositivo por día de uso es de 17 centavos de dólar. Dado que el dispositivo adaptativo de captación de agua consume 1,67–5,25 kWh L−1 para producir 1,8–3,5 L LH2O d−1 y el precio del kWh en Jordania es aprox. $0,10 USD, el precio en la red por LH2O oscila entre $0,17 y 0,53 USD, que, aunque aparentemente alto, sigue siendo más bajo que las fuentes de agua comerciales (consulte la Nota complementaria 8).

Siempre que se alcance el umbral de humedad relativa (>10 % de HR), nuestro dispositivo adaptable puede funcionar en todo el mundo, con la notable excepción del círculo polar ártico y la Antártida, para satisfacer las necesidades de agua de más de 2 000 millones de personas que viven sin acceso a agua potable gestionada de forma segura. agua (SMDW)32. Por lo tanto, para poner nuestro análisis de costos en una perspectiva global, se eligió una selección aleatoria de países que representan una clasificación de ingresos media-baja (Marruecos y Nigeria) y media-alta (México y Jordania). De hecho, 31–40, 71–80, 51–60 y 11–20 % de la población de Marruecos, Nigeria, México y Jordania, respectivamente, vive sin SMDW y podría beneficiarse del acceso a esta tecnología (Tabla 2)32 . Teniendo en cuenta el costo de producción junto con los costos de electricidad en la red para estos países, nuestro dispositivo adaptativo de recolección de agua puede brindar ahorros financieros de hasta un 49 %, 63 %, 63 % y 46 % en costos de agua en Marruecos, Nigeria, México, y Jordan, respectivamente (Cuadro 2).

Las variaciones en las condiciones atmosféricas afectan significativamente el proceso de recolección de agua en términos de eficiencia de producción de agua y consumo de energía. Al desarrollar el modo adaptativo de la operación de recolección de agua, demostramos cómo un dispositivo basado en MOF podría ser adaptable y sensible al medio ambiente. Esto condujo a avances considerables en el rendimiento, en particular, un aumento del 169 % en la productividad del agua y una reducción del 44 % en el consumo de energía en comparación con los dispositivos de última generación informados. En el futuro, maximizar la transferencia de calor y masa a través de dinámicas de flujo de aire optimizadas (por ejemplo, lecho fluidizado, cuerpos moldeados) conducirá a una mayor explotación de las propiedades de sorción de los MOF para la recolección práctica de agua. Además, el seguimiento del rendimiento de los dispositivos adaptativos de recolección de agua durante períodos de tiempo superiores a 1 año proporcionará información sobre la capacidad de dichos dispositivos para responder a múltiples cambios climáticos estacionales. En definitiva, acoplar los resultados de estas investigaciones futuras a un modo de operación adaptativo producirá un dispositivo de recolección de agua que puede brindar seguridad e independencia del agua a cualquier persona, en cualquier lugar y en cualquier momento.

El dispositivo de recolección de agua se compone de tres compartimentos prismáticos rectangulares unidos por láminas acrílicas moldeadas en celdas (Moden Glas) como paredes. Se utiliza una lámina acrílica como base del dispositivo (1 × 0,6 m, 5 mm de espesor), que se extiende por los tres compartimentos. La base tiene ranuras cortadas regularmente (40 × 5 mm) para encajar las paredes de cada compartimento en su lugar. El primer compartimento ('compartimento de entrada de aire') está construido con láminas acrílicas fundidas de 4 celdas como paredes (280 × 280 × 200 mm, 5 mm de espesor). La pared frontal interna tiene un revestimiento de goma y está conectada a las paredes superior y lateral mediante facetas prediseñadas que están selladas con tornillos para permitir un fácil acceso al compartimento. Esta pared tiene una ventana de 230 × 250 mm cortada por un cortador láser de CO2 (Trotec Speedy 400), que está equipado con un filtro de panel de aire (M Filter No. K418). Las paredes superiores y laterales restantes se sellan entre sí mediante cloroformo. Dentro del compartimiento de entrada de aire se encuentra un calentador eléctrico de serpentín de cobre con aletas de aluminio (500 W) y un ventilador de corriente alterna monofásico (Orix No. MRS18-DC-F6) colocados consecutivamente al lado del filtro del panel de aire. El segundo compartimento ("compartimento de absorción") está directamente conectado al compartimento de entrada de aire y está construido con láminas acrílicas fundidas de 5 celdas de la siguiente manera: (i) pared compartida con el compartimento de entrada de aire: 290 × 370 mm con 8, 270 × 8,5 mm ranuras cortadas con láser para dirigir el flujo de aire; (ii) pared posterior: 290 × 478 mm; (iii) pared superior: 300 × 400 mm; (iv) pared frontal: 290 × 478 mm; y (v) pared compartida con el tercer compartimento ('compartimento de condensación'): 290 × 370 mm con 8 ranuras de 270 × 8,5 mm cortadas con láser para dirigir el flujo de aire. La pared frontal tiene un revestimiento de goma y está conectada a las paredes superior y lateral mediante facetas prediseñadas que están selladas con tornillos para permitir un fácil acceso al compartimento. Las paredes superiores y laterales restantes se sellan entre sí mediante cloroformo. El compartimiento de sorción consta de 8 bandejas de acrílico moldeado de celdas (470 × 360 mm), cada una con un revestimiento de aluminio (2 mm de espesor) para facilitar la transferencia de calor. Las bandejas se mantienen en paralelo al flujo de aire mediante estanterías acrílicas que se unen debajo de filas de ranuras de flujo de aire sujetas a las dos paredes compartidas. El compartimiento de condensación está construido con láminas acrílicas fundidas de 3 celdas (280 × 280 × 200 mm, 5 mm de espesor) y tiene un condensador con aletas de aluminio de 3 revestimientos (250 × 250 mm) alojado en su interior. Este condensador se coloca dentro de un embudo de acero inoxidable (250 × 100 mm) que se utiliza para recolectar agua líquida condensada y transportarla a la unidad de mineralización y filtración que se encuentra debajo. Este condensador es el evaporador de un ciclo de compresión-refrigeración más grande y, por lo tanto, está conectado a través de una tubería de cobre (1/4 in) a un compresor de refrigeración (1/3 hp, modelo n.° GFF86AA; Siberia Co.), de dos líneas condensador con aletas de aluminio con ventilador de refrigeración adjunto (250 × 250 mm; 5 W) y un tubo de expansión. Este compresor fue operado usando R-134a como fluido de trabajo (Refrigerante Schild). El compartimento de condensación estaba semiabierto a la atmósfera a través de un orificio de salida de 5 mm perforado en el fondo. Para monitorear la temperatura y la humedad relativa en todo el dispositivo, se cortaron con láser 4 orificios (20 mm de diámetro) en las siguientes paredes: (i) la pared superior del compartimiento de entrada de aire en una posición de 70 mm después del calentador; (ii) pared frontal del compartimiento de sorción en posiciones centradas en la parte superior e inferior de esta pared; (iii) pared superior del compartimiento de condensación en una posición de 70 mm antes del condensador. Estos agujeros se prepararon para fijar las sondas del sensor (Logitech, RCW800 Wi-Fi). Se utilizó una sonda de sensor adicional para monitorear las condiciones ambientales externas. El agua recolectada de la unidad de condensación se alimenta inmediatamente a una columna de vidrio (30 × 150 mm; l × d) que se rellena con capas alternas de piedra caliza, arena y carbón activado. Posteriormente, el agua se filtra por gravedad y se mineraliza y se recolecta en una garrafa antimicrobiana de 5 L. Los esquemas detallados se proporcionan en la Nota complementaria 1.

Los detalles de síntesis y caracterización de MOF se presentan en la Nota complementaria 1.

El modo de operación de recolección activa de agua se basa en un ciclo simple de adsorción-desorción. En una ejecución típica, el ventilador y el condensador, que consumen 54,5 y 184 W de potencia, respectivamente, se activan durante 40 min. Esto proporciona la exposición del material MOF al flujo de aire externo para facilitar la adsorción del vapor de agua. El condensador se fijó a una temperatura arbitraria muy por debajo del punto de rocío del entorno ambiental. Después de 40 min, el calentador se activa durante 20 min para iniciar la desorción. Como el ventilador y el condensador permanecen activos, esta etapa consume 239 W de potencia. El aire calentado alcanzó una temperatura media de 45 °C al llegar al compartimento de sorción que contenía el material MOF. Las gotas de agua se forman instantáneamente al iniciar la etapa de desorción del ciclo activo. Estos se recolectan por gravedad y se filtran a lo largo de la totalidad de la etapa de desorción y en la etapa de adsorción del siguiente ciclo activo. Después de 60 min en total (40 y 20 min para adsorción y desorción, respectivamente), se completa un ciclo activo. En teoría, se pueden realizar 24 ciclos activos en 1 d independientemente de las condiciones ambientales externas. Los procedimientos de medición detallados se proporcionan en la Nota complementaria 3.

El modo de operación de recolección de agua adaptable al medio ambiente se basa en el modo activo en términos de que cada ciclo es una etapa de adsorción y desorción. Sin embargo, la diferencia está en el tiempo y la capacidad de respuesta de cada etapa. Utilizando datos recopilados históricamente del dispositivo activo, se desarrolló un algoritmo y se aplicó al dispositivo de recolección de agua adaptable al entorno mediante el empleo de un microcontrolador uno R−3 (Arduino), una mini placa (400 puntos de enlace), módulos de 3 relés (5 V de corriente continua de 1 canal; Songle) y un sensor digital externo de temperatura y humedad relativa (Aosong, No. AM2315). En el modo de recolección de agua adaptable al entorno, la etapa de adsorción comienza con el ventilador y el condensador, que consumen 54,5 y 184 W de potencia, respectivamente, y se activan durante un período prescrito en función de las condiciones ambientales externas. La temperatura establecida del condensador varió en función del punto de rocío calculado a partir de las condiciones ambientales. Luego, la etapa de desorción comenzó activando el calentador durante un período prescrito basado en el algoritmo adaptativo. El aire calentado alcanzó diferentes temperaturas según las condiciones ambientales externas. Las gotas de agua se forman instantáneamente al iniciar la etapa de desorción y se recolectaron por gravedad y se filtraron a través de la totalidad de la etapa de desorción y hacia la etapa de adsorción del siguiente ciclo adaptativo. En general, a lo largo de la escala de humedad relativa, especialmente a HR < 20 %, el modo de recolección de agua adaptable al entorno puede realizar muchos más ciclos (es decir, generar más agua) que su contraparte activa. Las mediciones detalladas y los datos recopilados se proporcionan en la Nota complementaria 4.

Los autores declaran que todos los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el artículo y su información complementaria o del autor correspondiente a pedido razonable. Los datos de origen se proporcionan con este documento.

Mekonnen, MM & Hoekstra, AY Cuatro mil millones de personas enfrentan una grave escasez de agua. ciencia Adv. 2, e1500323 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Haddeland, I. et al. Recursos hídricos globales afectados por las intervenciones humanas y el cambio climático. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 111, 3251–3256 (2014).

Artículo ADS CAS Google Académico

Vorosmarty, CJ, Green, P., Salisbury, J. y Lammers, RB Recursos hídricos mundiales: vulnerabilidad frente al cambio climático y el crecimiento demográfico. Ciencia 289, 284–288 (2000).

Artículo ADS CAS Google Académico

Wada, Y. et al. Estrés hídrico mensual mundial: demanda de agua y gravedad del estrés hídrico. Recurso de agua. Res. 47, W07518 (2011).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Hoekstra, AY & Mekonnen, MM La huella hídrica de la humanidad. proc. Academia Nacional. ciencia USA 109, 3232–3237 (2012).

Artículo ADS CAS Google Académico

Elimelech, M. & Phillip, WA El futuro de la desalinización de agua de mar: energía, tecnología y medio ambiente. Ciencia 333, 712–717 (2011).

Artículo ADS CAS Google Académico

Salgot, M. & Folch, M. Tratamiento de aguas residuales y reutilización de aguas. actual Opinión Reinar. ciencia Salud 2, 64–74 (2018).

Artículo Google Académico

Tu, Y., Wang, R., Zhang, Y. & Wang, J. Progreso y expectativa de la recolección de agua atmosférica. Julio 2, 1452-1475 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Yao, H. et al. Producción de agua limpia altamente eficiente a partir de aire contaminado con un amplio rango de humedad. Adv. Mate. 32, 1905875 (2019).

Zhao, F. et al. Geles súper absorbentes de humedad para la recolección de agua atmosférica en todo clima. Adv. Mate. 31, 1806446 (2019).

Li, R., Shi, Y., Shi, L., Alsaedi, M. y Wang, P. Recolección de agua del aire: uso de sal con luz solar. Reinar. ciencia Tecnología 52, 5398–5406 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Furukawa, H., Cordova, KE, O'Keeffe, M. y Yaghi, OM La química y las aplicaciones de estructuras organometálicas. Ciencia 341, 1230444 (2013).

Artículo Google Académico

Hanikel, N. et al. Evolución de las estructuras de agua en estructuras metal-orgánicas para mejorar la captación de agua atmosférica. Ciencia 374, 454–459 (2022).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Ko, N. et al. Mejora significativa de la absorción de vapor de agua a baja presión mediante la funcionalización con amina de UiO-67. Transcripción Dalton. 44, 2047–2051 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Ko, N. et al. Adaptación de las propiedades de adsorción de agua de los marcos organometálicos MIL-101 mediante funcionalización parcial. J.Mater. química A 3, 2057–2064 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Liu, B., Vikrant, K., Kim, KH, Kumar, V. & Kailasa, SK Papel crítico de la estabilidad del agua en marcos metal-orgánicos y estrategias de modificación avanzadas para la extensión de su aplicabilidad. Env. ciencia 7, 1319–1347 (2020).

CAS Google Académico

Hanikel, N., Prevot, MS & Yaghi, OM Cosechadoras de agua MOF. Nat. Nanotecnología. 15, 348–355 (2020).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kim, H. et al. Recolección de agua del aire con estructuras metal-orgánicas alimentadas por luz solar natural. Ciencia 356, 430–434 (2017).

Artículo ADS CAS Google Académico

Fathieh, F. et al. Producción práctica de agua a partir del aire del desierto. ciencia Adv. 4, eaat3198 (2018).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Kim, H. et al. Dispositivo de recolección de agua atmosférica basado en adsorción para climas áridos. Nat. Com. 9, 1–8 (2018).

Artículo Google Académico

LaPotin, A. et al. Dispositivo de recolección de agua atmosférica de dos etapas para la producción de agua escalable impulsada por energía solar. 5 julios, 166–182 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Furukawa, H. et al. Adsorción de agua en estructuras metalorgánicas porosas y materiales relacionados. Mermelada. química Soc. 136, 4369–4381 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Hanikel, N. et al. Ciclado rápido y rendimiento excepcional en un recolector de agua de estructura metal-orgánica. Ciento ACS. ciencia 5, 1699-1706 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Aire: máxima capacidad de transporte de humedad. Caja de herramientas de ingeniería https://www.engineeringtoolbox.com/maximum-moisture-content-air-d_1403.html (2003).

Sólidos, Líquidos y Gases – Conductividades Térmicas. Caja de herramientas de ingeniería https://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html (2003).

Kallenberger, PA & Fröba, M. Recolección de agua del aire con una sal higroscópica en una matriz derivada de hidrogel. común química 1, 1–6 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Zhao, F. et al. Geles súper absorbentes de humedad para la recolección de agua atmosférica en todo clima. Adv. Mate. 31, 1806446 (2019).

Artículo Google Académico

Guo, Y. et al. Películas de polímero súper higroscópicas escalables para la recolección sostenible de humedad en ambientes áridos. Nat. común 13, 1–7 (2022).

ANUNCIOS Google Académico

Kalmutzki, MJ, Diercks, CS y Yaghi, OM Estructuras metalorgánicas para la recolección de agua del aire. Adv. Mate. 30, 1704304 (2018).

Artículo Google Académico

Peeters, R., Vanderschaeghe, H., Ronge, J. y Martens, JA Rendimiento energético y dependencia climática de las tecnologías para la producción de agua dulce a partir del vapor de agua atmosférico. Reinar. Sci.: Agua Res. Tecnología 6, 2016–2034 (2020).

CAS Google Académico

Wahlgren, RV Diseños de procesadores de vapor de agua atmosféricos para la producción de agua potable: una revisión. Agua Res. 35, 1–22 (2001).

Artículo CAS Google Académico

Señor, J. et al. Potencial mundial para la captación de agua potable del aire mediante energía solar. Naturaleza 598, 611–617 (2021).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Precio del agua embotellada de Jordania. Precios globales de productos. https://www.globalproductprices.com/Jordan/mineral_water_prices/ (2022).

Precios de la electricidad en Jordania. Precios globales de productos. https://www.globalpetrolprices.com/Jordan/electricity_prices/ (2022).

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Los autores agradecen a la Royal Scientific Society por el apoyo financiero de este trabajo (KEC). MISTI Global Seed Funds y MIT-Jordan Abdul Hameed Shoman Foundation Seed Fund (No. 0000000093; KEC) y la Alianza de Organizaciones Científicas Internacionales (ANSO-CR-PP-2020-06; KEC y BM) brindaron apoyo adicional. . The Synchrotron-light for Experimental Science and Applications in the Middle East (SESAME; MS Beamline Nos. 20190028 and 20210003; KEC) por el tiempo de haz y el Dr. Mahmoud Abdellatief (SESAME) por su apoyo. Ing. Iyad Al-Dasouqi (RSS), Ing. Bara'a Ahmed (RSS), Ing. Omar Abu Zaid (RSS), y el Ing. Se agradece a Osama Abu Al-Hija (RSS) por su apoyo en la obtención de suministros y tiempo para instrumentos, así como por sus útiles debates.

Unidad de Investigación de Descubrimiento de Materiales, Centro de Investigación Avanzada, Royal Scientific Society, Amman, 11941, Jordania

Husam A. Almassad, Rada I. Abaza, Lama Siwwan, Bassem Al-Maythalony & Kyle E. Cordova

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Conceptualización: KEC; curación de datos y análisis formal: HAA, RIA y LS; diseño experimental, validación e investigación: HAA, RIA, LS y BAM; administración de proyectos, adquisición de fondos y recursos: KEC y BAM; borrador original: KEC y HAA; revisión y edición: HAA, RIA, LS y BAM Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito y accedieron a publicarlo.

Correspondencia a Kyle E. Cordova.

Se ha presentado una patente: Royal Scientific Society (solicitante de patente), KEC y HAA (inventores), número de serie de solicitud PCT. PCT/JO2022/050012 con fecha de prioridad 26 de julio de 2021, que cubre varias realizaciones de dispositivos de recolección de agua y métodos activos y adaptativos de generación de agua atmosférica. KEC es uno de los fundadores y HAA es un empleado de Green Oasis for Research and Development, LLC y AquaPoro Ventures, Ltd., que son empresas que buscan la comercialización de la tecnología que se informa en este documento. KEC y HAA no declaran ningún otro interés en competencia. Los autores restantes declaran no tener intereses contrapuestos.

Nature Communications agradece a los revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de los revisores están disponibles.

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Almassad, HA, Abaza, RI, Siwwan, L. et al. El dispositivo basado en MOF ambientalmente adaptable permite la recolección continua de agua atmosférica con optimización automática. Nat Comun 13, 4873 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32642-0

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Recibido: 22 Abril 2022

Aceptado: 09 agosto 2022

Publicado: 19 agosto 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32642-0

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