Récupérateur d'eau construit au MIT avec des MOF de l'UC Berkeley. En utilisant uniquement la lumière du soleil, la moissonneuse peut tirer des litres d'eau de l'air à faible humidité sur une période de 12 heures. Crédit :MIT / laboratoire d'Evelyn Wang.
Imaginez un avenir dans lequel chaque maison dispose d'un appareil qui tire de l'air toute l'eau dont la maison a besoin, même dans les climats secs ou désertiques, en utilisant uniquement la puissance du soleil.
Cet avenir est peut-être au coin de la rue, avec la démonstration cette semaine d'un collecteur d'eau qui utilise uniquement la lumière du soleil ambiante pour extraire des litres d'eau de l'air chaque jour dans des conditions aussi basses que 20 % d'humidité, un niveau commun dans les zones arides.
La moissonneuse-batteuse solaire, rapporté dans le journal Science , a été construit au Massachusetts Institute of Technology en utilisant un matériau spécial - un cadre métal-organique, ou MOF - produit à l'Université de Californie, Berkeley.
« Il s'agit d'une avancée majeure dans le défi de longue date de la récupération de l'eau de l'air à faible humidité, " dit Omar Yaghi, l'un des deux auteurs principaux de l'article, qui détient la chaire James et Neeltje Tretter en chimie à l'UC Berkeley et est chercheur au Lawrence Berkeley National Laboratory. "Il n'y a pas d'autre moyen de le faire pour le moment, sauf en utilisant de l'énergie supplémentaire. Votre déshumidificateur électrique à la maison « produit » de l'eau très chère."
Le Prototype, dans des conditions de 20-30 pour cent d'humidité, était capable de tirer 2,8 litres (3 pintes) d'eau de l'air sur une période de 12 heures, en utilisant un kilogramme (2,2 livres) de MOF. Des tests sur le toit au MIT ont confirmé que l'appareil fonctionne dans des conditions réelles.
"Une vision pour l'avenir est d'avoir de l'eau hors réseau, où vous avez un appareil à la maison fonctionnant à l'énergie solaire ambiante pour fournir de l'eau qui satisfait les besoins d'un ménage, " dit Yaghi, qui est le directeur fondateur du Berkeley Global Science Institute, co-directeur du Kavli Energy NanoSciences Institute et de la California Research Alliance de BASF. "Tome, cela sera rendu possible grâce à cette expérience. J'appelle ça de l'eau personnalisée."
Yaghi a inventé les charpentes métallo-organiques il y a plus de 20 ans, combiner des métaux comme le magnésium ou l'aluminium avec des molécules organiques dans un arrangement bricoleur pour créer rigide, structures poreuses idéales pour le stockage de gaz et de liquides. Depuis, plus de 20, 000 MOF différents ont été créés par des chercheurs du monde entier. Certains détiennent des produits chimiques tels que l'hydrogène ou le méthane :l'entreprise chimique BASF teste l'un des MOF de Yaghi dans des camions alimentés au gaz naturel, puisque les réservoirs remplis de MOF contiennent trois fois plus de méthane qui peut être pompé sous pression dans un réservoir vide.
D'autres MOF sont capables de capturer le dioxyde de carbone des gaz de combustion, catalyser la réaction de produits chimiques adsorbés ou de produits pétrochimiques séparés dans les usines de transformation.
En 2014, Yaghi et son équipe de l'UC Berkeley ont synthétisé un MOF - une combinaison de zirconium métallique et d'acide adipique - qui lie la vapeur d'eau, et il a suggéré à Evelyn Wang, un ingénieur en mécanique au MIT, qu'ils unissent leurs forces pour transformer le MOF en un système de collecte d'eau.
Un schéma d'un cadre métal-organique. Les lignes dans les modèles sont des linkers organiques, et les intersections sont des unités multimétalliques. Ce sont des blocs de construction qu'Omar Yaghi assemble en éponges cristallines en utilisant une nouvelle chimie réticulaire. Les boules jaunes représentent les espaces poreux qui peuvent se remplir d'eau. L'image d'arrière-plan montre les nombreux cristaux de MOF qui sont combinés dans le collecteur d'eau. Crédit :UC Berkeley et Berkeley Lab
Le système conçu par Wang et ses étudiants consistait en plus de deux livres de cristaux MOF de la taille d'une poussière comprimés entre un absorbeur solaire et une plaque de condenseur, placé à l'intérieur d'une chambre ouverte à l'air. Lorsque l'air ambiant se diffuse à travers le MOF poreux, les molécules d'eau se fixent préférentiellement sur les surfaces intérieures. Des études de diffraction des rayons X ont montré que les molécules de vapeur d'eau se rassemblent souvent par groupes de huit pour former des cubes.
La lumière du soleil entrant par une fenêtre chauffe le MOF et conduit l'eau liée vers le condenseur, qui est à la température de l'air extérieur. La vapeur se condense sous forme d'eau liquide et s'égoutte dans un collecteur.
"Ce travail offre une nouvelle façon de récupérer l'eau de l'air qui ne nécessite pas de conditions d'humidité relative élevée et est beaucoup plus économe en énergie que les autres technologies existantes, " a déclaré Wang.
Cette moissonneuse de preuve de concept laisse beaucoup de place à l'amélioration, dit Yaghi. Le MOF actuel ne peut absorber que 20 pour cent de son poids en eau, mais d'autres matériaux MOF pourraient éventuellement absorber 40 pour cent ou plus. Le matériau peut également être modifié pour être plus efficace à des niveaux d'humidité plus ou moins élevés.
« Ce n'est pas seulement que nous avons fabriqué un dispositif passif qui récupère de l'eau ; nous avons maintenant posé les bases expérimentales et théoriques afin que nous puissions cribler d'autres MOF, dont des milliers pourraient être fabriqués, pour trouver des matériaux encore meilleurs, " il a dit. " Il y a beaucoup de potentiel pour augmenter la quantité d'eau qui est récoltée. C'est juste une question d'ingénierie plus poussée maintenant."
Yaghi et son équipe travaillent à l'amélioration de leurs MOF, tandis que Wang continue d'améliorer le système de récolte pour produire plus d'eau.
"Pour avoir de l'eau qui coule tout le temps, vous pourriez concevoir un système qui absorbe l'humidité pendant la nuit et la fait évoluer pendant la journée, " a-t-il dit. " Ou concevez le capteur solaire pour permettre cela à un rythme beaucoup plus rapide, où plus d'air est poussé. Nous voulions démontrer que si vous êtes coupé quelque part dans le désert, vous pourriez survivre grâce à cet appareil. Une personne a besoin d'environ une canette d'eau de Coca par jour. C'est quelque chose que l'on pourrait récupérer en moins d'une heure avec ce système."
