At gøre atmosfærisk vandopsamling mere effektiv er nøglen i tørre regioner

Rent vand fra tynd luft

In mange regioner i verden er ferskvand en luksus. En mulighed for adgang kunne være afsaltning, men dette er indtil videre en meget energikrævende metode, selvom nogle fremskridt inden for solenergi har gjort den tættere på virkeligheden for nylig. Afvandsaltning af havvand er heller ikke en mulighed for mange indre ørkenområder, som for eksempel Centralasien, Mongoliet, de chilenske bjerge eller størstedelen af Sahara-ørkenen.

En anden mulighed er at indfange vandet, der er til stede i luften. Mange ørkener har faktisk ret høj atmosfærisk fugtighed, men af klimatiske årsager danner de ikke regn og skyer. Dette er løftet om atmosfærisk vandopsamling. Vi har tidligere dækket hvordan passiv køling kombineret med en silikonebelægning kan øge effektiviteten af tyngdekraftbaseret vandopsamling.

Forskere ser nu på at forbedre metoden yderligere, især ved at bruge nye typer polymerer. Videnskabsfolk ved Osaka Metropolitan University udførte denne forskning, som blev offentliggjort i ACS ES&T Water under titlen “Liquid Polyether-Based Water Harvester for Near Ambient Temperature Operation via Hydrophilicity-Difference-Induced Water Transfer¹.”

Vandadsorption

En metode til at opsamle vand fra tynd luft er at bruge en polymer, der kan “adsorbere” vandet. Adsorption er evnen hos faste stoffer til at tiltrække molekyler af gasser eller opløsninger, som de er i kontakt med på deres overflader – i dette tilfælde vanddamp i gasform og vanddråber, der er suspenderet i luften.

I hverdagen kender vi adsorbentmaterialer som silikagel i kommerciel emballage. Dette er faktisk en ret effektiv proces, og den kan indsamle meget omgivende vand.

Kilde: Osaka Metropolitan University

Problemet er at få polymeren til at frigive vandet. Normalt kræves varme på omkring 100 °C for at desorbere disse polymerer, hvilket naturligvis gør processen meget energikrævende og dyr. I modsætning hertil er den nye polymer, der er udviklet i Osaka, anderledes.

Lavtemperaturdesorption

Problemet med at frigive vandet fra polymeren er, at de samme egenskaber, der gør en polymer til en god adsorbent, også gør den dårlig til at slippe vandet, hvilket kræver høj temperatur for at ske.

Tidligere forsøgte forskerne at blande poly(ethylene glycol) (PEG) og oligomerisk poly(propylene glycol) (PPG) og skabte en “hydrofilitetsforskel-induceret vandoverførsel (HWT)”-mekanisme.

I enklere termer skabte forskellen i vandadsorption mellem de to polymertyper en svagere evne til at holde på det adsorberede vand. Dette muliggør fremstillingen af en flydende fugtadsorbent, der kun kræver en temperatur på omkring 35 °C / 95 °F for at frigive vandet.

Dette begrænsede dog blandingens vandadsorptionskapacitet, hvilket gjorde den mindre produktiv, selvom den var langt mindre energikrævende.

PEG-PPG Co-polymer

I det seneste eksperiment forsøgte forskerne at blande en PEG-PPG co-polymer med PEG i stedet.

Kilde: ACS Publication

• Den lave temperatur for genvinding blev bevaret
• Vandopsamlingshastigheden var faktisk højere end ved kun PEG, som normalt var det element, der adsorberede vand bedst.

Den tilfældige PEG-PPG co-polymer udviste den højeste vandopsamlingshastighed, over den for PEG. Den forbedrede vandgenvinding stammede fra den synergistiske effekt af HWT og kollapsen af vandklynger.

Anvendelser

Den lave temperatur, der kræves for at indsamle vandet og regenerere polymeren, ændrer radikalt potentialet for denne teknologi. For det første fjerner den behovet for energikrævende høje temperaturer, hvilket radikalt forbedrer idéens miljømæssige profil.

“Forbedringer af denne teknologi forventes også at føre til reduktioner i drivhusgasser og mere effektiv brug af vandressourcer. Fremover vil vi sigte mod at forbedre den flydende fugtadsorbent og øge effektiviteten af hele systemet for at gøre det praktisk.”
Masahide Takahashi – Professor ved Osaka Metropolitan University

For det andet, fordi 35 °C / 95 °F er meget lettere at opnå, kunne det skabes blot ved at udnytte dag‑nats‑cyklussen, især i ørkenområder hvor dagen er ret varm, som de fleste ørkener omkring den tropiske zone (Sahara, Mellemøsten, Indien, Mexico og det sydvestlige USA osv.).

Koldere regioner som Mongoliet kan være mere udfordrende, men måske kan et meget simpelt metalfolie‑spejl hjælpe med at nå 35 °C‑grænsen, når solen skinner. Dette åbner vejen for et fuldstændigt passivt system, der automatisk genererer vand med meget lidt indsats.

Den samme teknologi kan også hurtigt implementeres i regioner, der akut har brug for rent vand.

“Denne teknologi har potentiale til at blive anvendt ikke kun til vandforsyning i tørre regioner og områder med begrænsede energiresurser, men også til at sikre adgang til vand i tider med katastrofer og nødsituationer.”
Arisa Fukatsu – Assisterende professor ved Osaka Metropolitan University

Yderligere udvikling kan også bygges på denne forskning. For eksempel beviser intet, at den polymerblanding, der er opdaget her, er den optimale kombination.

I teorien kunne mange andre blandinger af hydrofile og let mindre hydrofile polymerer udføre arbejdet. Så nu hvor princippet er demonstreret, kan en systematisk udforskning af nye vandadsorberende materialer hjælpe med at forbedre udbyttet yderligere og bringe teknikken tættere på kommerciel levedygtighed.

Virksomhed, der løser vandmangel

Xylem Inc.

Sammen med den europæiske Veolia er Xylem en global leder inden for vandrensning, spildevandsbehandling og afsaltning. De beskæftiger over 23.000 (heraf over 6.000 ingeniører) medarbejdere og opererer i 150 lande, med fokus på USA, med over 35.000 direkte industrielle kunder.

Det primære marked er kommunalt drikke- og spildevand, men de leverer også dedikerede løsninger til andre sektorer som sundhedspleje, energi, fødevarer & drikkevarer, olie & gas, mikroelektronik osv.

Kilde: Xylem

Xylem kan levere de kritiske patenterede udstyrsdele til at rense eller producere vand såsom ozongeneratorer, UV‑lamper, afsaltningmembraner, ultra‑rene vandgeneratorer osv. Men de leverer også “simplere” udstyr, der er lige så vigtigt for vandrelaterede operationer som turbiner, pumper, rørledninger, injektion, software osv., samt vedligeholdelses-, reparations- og installationsservice.

Kilde: Xylem

Vandmarkedet er stadig meget fragmenteret, hvor Xylem er en af de største virksomheder i sektoren, men kun har “kun” en markedsandel på 10 % af det $80 mia betjente adresserbare marked.

Virksomheden bruger omkring 4 % af sit salg på F&U. Den bør drage fordel af nye reguleringer vedrørende PFAS (Per- og polyfluoralkylstoffer, eller evige kemikalier), med over 6.000 forsyningsanlæg, der har brug for sådan PFAS-behandling.

Xylem har vokset støt, med nettoindkomsten, der er steget fra $297 mio i 2012 til $609 mio i 2023, mens de har opretholdt en stabil EBITDA-margin på 17‑219 %.

Samlet set gør dette virksomhedens investeringsprofil mindre som en industrivirksomhed (ofte cyklisk) og mere som en forsyningsvirksomhed, der vokser med den samlede økonomi eller lidt over den hastighed, ligesom de fleste af dens forbrugere.

Studierreference:

^{1. Ikegawa, D., Fukatsu, A., Okada, K., & Takahashi, M. (2024). Liquid polyether-based water harvester for near ambient temperature operation via hydrophilicity-difference-induced water transfer. ACS ES&T Water. https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00775}