Pomanjkanje sladke vode je postalo globalni izziv, ki ogroža trajnostni razvoj in varnost ljudi. Atmosfera vsebuje približno šestkrat več vodne pare kot vsi svetovni rečni sistemi skupaj. Tehnologija zajemanja atmosferske vode omogoča pridobivanje velikih količin sladke vode kjer koli in kadar koli ter tako predstavlja trajnostno rešitev za spopadanje s pomanjkanjem vode.
Doc. dr. Primož Poredoš z ljubljanske Fakultete za strojništvo je kot soavtor skupaj z raziskovalci iz inovacijske ekipe ITEWA s Šanghajske univerze Jiao Tong in Oddelka za znanost o materialih in inženirstvo Nacionalne univerze v Singapurju objavil pregledni znanstveni članek, ki analizira interakcijo med higroskopskimi solmi, vodo in solnimi raztopinami v kompozitnih adsorbentih, dopiranih s higroskopskimi solmi, z vidika termodinamike. Članek vzpostavlja razmerje med ključnimi strukturnimi parametri – kot so vrsta in vsebnost higroskopskih soli, poroznost ter nosilna sposobnost matrice – in končno zmogljivostjo materiala. Pregled prav tako predlaga teoretični načrtovalski okvir za usmerjanje adsorpcijske kapacitete, entalpije desorpcije, kinetike in stabilnosti adsorbentov, s čimer zagotavlja enotno metodo za preverjanje in regulacijo pri razvoju adsorpcijskih materialov za zajemanje atmosferske vode in sorodna področja.
Adsorpcijski potencial higroskopskih materialov (t. i. sorbentov) določa njihovo sposobnost zajemanja vodne pare iz okolja in je ključni dejavnik učinkovitosti sorpcijskega zajemanja atmosferske vode. Pri večini doslej opisanih s soljo dopiranih kompozitnih sorbentov pa kvalitativna izbira sinteznih parametrov in nejasne interakcije med komponentami močno ovirajo natančno uravnavanje in napovedovanje njihovega adsorpcijskega obnašanja. Poleg tega integracija teh tehnologij z novimi energetskimi pristopi, kot sta dnevno sevalno hlajenje in 3D-tisk (slika 1), zahteva še natančnejše metode načrtovanja, da bi v celoti izkoristili njihov razvojni potencial.
To prelomno raziskavo je objavila revija Nature Reviews Materials (IF = 86,2), ena najuglednejših znanstvenih revij na področju materialov, ki jo izdaja založba Springer Nature.
Slika 1. Ocena sorpcijske kapacitete glede na vsebnost soli ter prikaz tipičnih kapilarnih HSCM-jev z njihovo izdelavo, optičnimi in mikroskopskimi posnetki ter metodami vgradnje higroskopskih soli v gelske matrikse za sintezo kompozitnih higroskopskih sorpcijskih materialov.
Slika 2. Metode dovoda toplote in hladu za izboljšanje procesov sorpcije in desorpcije.
Za načrtovanje sposobnosti materiala, da veže vodo (adsorpcijske kapacitete), so raziskovalci teoretično izračunali, koliko vlage lahko material adsorbira oziroma vsrka. To lastnost imenujemo vnos vode v material (gram vode na gram suhega sorpcijskega materiala). Pri tem so uporabili teorijo večstopenjske reakcije, ki upošteva tri glavne faze:
- Adsorpcija – hidracija (vezava vode v kristalno strukturo soli),
- delikvescenco (vnos vode, ko sol iz zraka adsorbira toliko vode, da tvori solno raztopino),
- absorpcijo (absorpcija vode v solno raztopino).
Pri izračunih so upoštevali tudi ravnotežje parnega tlaka, kar pomeni, da so določili, kako se vodna para v zraku obnaša, dokler ne doseže ravnovesja z materialom. To jim je omogočilo, da so zelo natančno določili, kako veliko količino vode lahko material sprejme v različnih razmerah.
Za načrtovanje entalpije desorpcije (energije, potrebne za sproščanje vezane vode iz materiala) so izračunali spremembe energije v različnih fazah procesa sušenja. Posebej so razlikovali med:
- entalpijo koncentracije raztopine (energijo, ki se sprošča ali porablja, ko se raztopina soli koncentrira), in
- entalpijo izhlapevanja (energijo, ki jo potrebujemo, da voda iz tekočega stanja preide v paro).
Na ta način lahko natančno določijo, kakšne okoljske pogoje (npr. temperaturo ali vlažnost) potrebuje material za učinkovito sušenje in ponovno adsorpcijo.
Pri načrtovanju hitrosti vpojnosti (adsorpcijske kinetike) so raziskovalci poenotili razlago, kako hitro voda prodira v gelne in ne-gelne matrice. Preučili so, kateri strukturni dejavniki (npr. velikost por, oblika in razporeditev delcev) vplivajo na hitrost adsorpcije vlage ter kako se to odraža v celotni učinkovitosti materiala. Tako so dobili teoretično osnovo za ocenjevanje in primerjavo različnih materialov.
Za stabilnost materiala so analizirali, kako se higroskopske soli po absorpciji vode volumensko razširijo in vpliv na trdnost oziroma nosilno sposobnost matrice. To je pomembno, ker mora struktura ostati mehansko stabilna kljub ponavljajočim se ciklom adsorpcije (vpijanje vlage) in desorpcije (sušenja).
Z energetskega vidika so raziskali, kako lahko vnos hlajenja med adsorpcijo in vnos toplote med desorpcijo povečata učinkovitost celotnega procesa (cikla vpijanja in sušenja). Predlagali so tudi konkretne metode za izboljšanje obeh korakov in strategije, s katerimi bi se lahko oba procesa še dodatno podpirala.
Eden ključnih napredkov je uporaba dnevno sevalnega hlajenja – to je pasivno hlajenje zemeljskih teles s sočasnim odbojem vpadnega sončnega sevanja (več kot 95% odbojnost) in izsevanjem toplote v vesolje skozi atmosfersko okno (emisivnost znotraj atmosferskega okna vsaj 85%) brez rabe energije. Če se zunanji sloj materiala pametno oblikuje, da se lahko po potrebi preklopi med sevalnim hlajenjem in absorpcijo sončne toplote, material ne samo da učinkoviteje vsrka vlago, temveč jo lahko tudi trajnostno sprosti. Takšen proces omogoča celovito izrabo trajnostne in obnovljive energije sonca in hladnega vesolja.