Борьба с нехваткой воды: важность получения воды из нетрадиционных источников
Для решения проблемы нехватки воды стратегически важно производить воду из нетрадиционных источников. Одним из перспективных подходов является сбор атмосферной воды — технология, предложенная в последние годы для извлечения воды непосредственно из воздуха с использованием нового класса пористых материалов — металлоорганических каркасов (МОК).
Особенности МОК
МОК — это высоконастраиваемые кристаллические структуры с большой площадью поверхности, известные своей способностью улавливать и удерживать молекулы, включая водяной пар.
Эффективность процессов сбора воды во многом зависит от характеристик адсорбции воды в МОК.
Разнообразие характеристик адсорбции воды в МОК
На сегодняшний день в литературе описано множество вариантов поведения при адсорбции воды в МОК. Чтобы максимизировать эффективность сбора, исследователи ищут МОК, которые демонстрируют S-образные изотермы адсорбции, характеризующиеся резким увеличением поглощения воды при небольшом изменении условий адсорбции.
Хотя этот принцип известен уже много лет, всестороннее понимание разнообразных характеристик адсорбции воды в МОК остаётся ограниченным.
Исследование группы профессора Ли-Чиан Линя
В исследовании, опубликованном в Journal of the American Chemical Society, группа профессора Ли-Чиан Линя из Национального тайваньского университета (NTU) провела детальное компьютерное исследование более чем 200 стратегически отобранных МОК, чтобы лучше понять, как происходит адсорбция воды в этих материалах.
Они использовали передовые методы моделирования плоских гистограмм Монте-Карло в сочетании с анализом термодинамической стабильности, вероятностей макросостояний, профилей свободной энергии и сетей водородных связей.
Исследование выявило удивительно широкий спектр адсорбционных характеристик, включая как постепенные, так и внезапные модели поглощения, называемые соответственно не-S-образными и S-образными изотермами.
Примечательно, что даже среди МОК с желаемыми S-образными изотермами исследователи выявили различные фазовые поведения, показывая, что разные МОК с S-образным поведением могут следовать принципиально различным механизмам адсорбции воды. Они также продемонстрировали чёткую связь между этими фазовыми поведениями и критической температурой воды, ограниченной в МОК.
Кроме того, группа Линя смогла соотнести эти поведения с определёнными химическими и структурными особенностями МОК. Например, материалы с умеренной теплотой адсорбции с большей вероятностью демонстрировали желаемое резкое поглощение воды. Также было обнаружено, что размер пор и распределение мест адсорбции контролируют как резкость, так и положение шага поглощения.
Для последнего — особенно для положения шага поглощения (т. е. давления шага) — группа Линя разработала новый дескриптор, называемый индексом связности. Этот индекс учитывает не только плотность, но, что более важно, связность и пространственную однородность мест адсорбции, и было показано, что он сильно влияет на давление шага.
«Это исследование предоставляет всесторонний обзор разнообразных адсорбционных характеристик в МОК», — говорит профессор Ли-Чиан Линь, автор исследования. «Полученные сведения прокладывают путь для рационального проектирования МОК, адаптированных для сбора атмосферной воды, потенциально позволяя создавать масштабируемые, энергоэффективные решения для удовлетворения растущих потребностей мира в воде».
Предоставлено Национальным тайваньским университетом.