Ilmakehän vesiharvestoinnin tehostaminen on avain kuivilla alueilla

Puhdas vesi ohuesta ilmasta

In monilla maailman alueilla makea vesi on kallista. Yksi mahdollinen ratkaisu voisi olla suolanpoisto, mutta se on tähän mennessä erittäin energiaintensiivinen lähestymistapa, vaikka aurinkoteknologian joitakin edistysaskeleita on tuonut sen lähemmäs todellisuutta äskettäin. Merivesisuolanpoisto ei myöskään ole vaihtoehto monille sisämaiden kuivalle alueelle, kuten esimerkiksi Keski-Aasia, Mongolia, Chilean vuoristot tai suurin osa Saharan autiomaasta.

Toinen vaihtoehto on kerätä ilmassa oleva vesi. Monissa autiomaissa on itse asiassa melko korkea ilmakehän kosteus, mutta ilmastollisista syistä ne eivät muodosta sadetta tai pilviä. Tämä on ilmakehän vesiharvestoinnin lupaus. Olemme aiemmin käsitelleet, kuinka passiivinen jäähdytys yhdistettynä piikäsitteeseen voisi lisätä painovoimaperustaisen vesiharvestoinnin tehokkuutta.

Tutkijat pyrkivät nyt parantamaan menetelmää edelleen, erityisesti käyttämällä uusia polymeerityyppejä. Osaka Metropolitan Universityn tutkijat toteuttivat tämän tutkimuksen, joka julkaistiin ACS ES&T Water -lehdessä otsikolla “Liquid Polyether-Based Water Harvester for Near Ambient Temperature Operation via Hydrophilicity-Difference-Induced Water Transfer¹”.

Veden adsorptio

Menetelmä, jolla kerätään vettä ohuesta ilmasta, on käyttää polymeeria, joka pystyy “adsorboimaan” vettä. Adsorptio on kiinteiden aineiden kyky houkutella kaasujen tai liuosten molekyylejä, joiden kanssa ne ovat kosketuksissa pintojensa kautta – tässä tapauksessa vesihöyryjä ja ilmassa roikkuvia vesipisaroita.

Arjessa tunnemme adsorboivia materiaaleja, kuten silikageeliä kaupallisessa pakkaamisessa. Tämä on itse asiassa melko tehokas prosessi, ja se voi kerätä paljon ympäröivää vettä.

Lähde: Osaka Metropolitan University

Ongelma on saada polymeeri vapauttamaan vesi. Yleensä noin 100 °C:n lämpöä tarvitaan näiden polymerien desorbointiin, mikä tietenkin tekee siitä erittäin energiaepätehokasta ja kallista. Sen sijaan Oslossa kehitetty uusi polymeeri on erilainen.

Alhaisen lämpötilan desorptio

Ongelma veden vapauttamisessa polymerista on se, että samat ominaisuudet, jotka tekevät polymerista hyvän adsorbentin, tekevät siitä myös huonon vapauttamaan vettä, minkä vuoksi tarvitaan korkea lämpötila.

Aikaisemmin tutkijat yrittivät sekoittaa poly(eteeniglykoli) (PEG) ja oligomerisen poly(propyleeniglykoli) (PPG) yhteen, luoden “hydrofilisuuserosta aiheutuvan vesinsiirron (HWT)” -mekanismin.

Yksinkertaisemmin sanottuna, kahden polymerityypin välinen vesiosorptioero heikensi kykyä pitää adsorboitua vettä. Tämä mahdollisti nestemäisen kosteuden adsorbentin luomisen, joka vaatii vain noin 35 °C / 95 °F:n lämpötilan.

Kuitenkin tämä rajoitti seoksen vesiosorptiokapasiteettia, tehden siitä vähemmän tuottavan, vaikka se oli paljon vähemmän energiaintensiivinen.

PEG-PPG -kopolymeeri

Viimeisimmässä kokeessa tutkijat yrittivät sekoittaa PEG-PPG -kopolymeerin PEG:n kanssa.

Lähde: ACS Publication

Tämä seos vahvisti HWT‑vaikutusta entisestään, mikä johti parhaaseen mahdolliseen tulokseen:

• Alhainen palautuslämpötila säilyi
• Veden keräysnopeus oli itse asiassa korkeampi kuin pelkän PEG:n, joka normaalisti on paras vesiosorboiva aine.

PEG-PPG satunnaiskopolymeeri osoitti korkeimman veden keräysnopeuden, ylittäen PEG:n. Parantunut vesihuolto johtui HWT:n synergistisesta vaikutuksesta ja vesiklusterien romahtamisesta.

Sovellukset

Veden keräämiseen ja polymerin uudistamiseen vaadittava alhainen lämpötila muuttaa radikaalisti tämän teknologian potentiaalia. Ensinnäkin se poistaa energiatehokkaiden korkeiden lämpötilojen tarpeen, parantaen merkittävästi idean ympäristöystävällisyyttä.

“Tämän teknologian parannusten odotetaan myös johtavan kasvihuonekaasupäästöjen vähenemiseen ja tehokkaampaan vesivarojen käyttöön. Tästä eteenpäin pyrimme parantamaan nestemäistä kosteuden adsorbenttia ja lisäämään koko järjestelmän tehokkuutta, jotta se olisi käytännöllinen.” Masahide Takahashi – professori Osaka Metropolitan Universityssa

Toiseksi, koska 35 °C / 95 °F on paljon helpompi saavuttaa, se voitaisiin toteuttaa pelkästään hyödyntämällä päivä‑yö‑sykliä, erityisesti autiomaisilla alueilla, joissa päivä on melko kuuma, kuten suurimmassa osassa trooppisen vyöhykkeen autiomaiden (Sahara, Lähi‑itä, Intia, Meksiko ja Yhdysvaltojen lounaisosa jne.).

Kylmemmät alueet, kuten Mongolia, voivat olla haastavampia, mutta ehkä hyvin yksinkertainen metallifoliokoriste voi auttaa saavuttamaan 35 °C:n rajan auringon paistaessa. Tämä avaa polun täysin passiiviselle järjestelmälle, joka tuottaa vettä automaattisesti hyvin vähäisellä vaivalla.

Samaa teknologiaa voitaisiin myös nopeasti ottaa käyttöön alueilla, jotka tarvitsevat kiireellisesti puhdasta vettä.

“Tällä teknologialla on potentiaalia soveltua ei vain veden saantiin kuivilla alueilla ja paikoissa, joissa on rajalliset energialähteet, vaan myös varmistamaan veden saatavuus katastrofi‑ ja hätätilanteissa.” Arisa Fukatsu – apulaisprofessori Osaka Metropolitan Universityssa

Lisäkehitystä voitaisiin myös rakentaa tähän tutkimukseen. Esimerkiksi mikään ei todista, että täällä löydetty polymeriseos on optimaalinen yhdistelmä.

Teoriassa monet muut hydrofiilisten ja hieman vähemmän hydrofiilisten polymerien seokset voisivat tehdä työn. Nyt kun periaate on osoitettu, systemaattinen uusien vesiosorboivien materiaalien tutkimus voisi auttaa parantamaan tuottoa entisestään, tuoden tekniikan lähemmäs kaupallista toteutettavuutta.

Yritys, joka ratkaisee vesipulaa

Xylem Inc.

Yhdessä eurooppalaisen Veolian kanssa Xylem on maailmanlaajuinen johtaja veden puhdistuksessa, jäteveden käsittelyssä ja suolanpoistossa. Se työllistää yli 23 000 (joista yli 6 000 insinööriä) henkilöä ja toimii 150 maassa, keskittyen Yhdysvaltoihin, joissa on yli 35 000 suoraa teollisuusasiakasta.

Sen päämarkkina on kunnallinen juoma‑ ja jätevesi, mutta se tarjoaa myös omistettuja ratkaisuja muille sektoreille, kuten terveydenhuolto, energia, elintarvike‑ ja juomateollisuus, öljy‑ ja kaasuteollisuus, mikroelektroniikka jne.

Lähde: Xylem

Xylem voi toimittaa kriittisiä patentoituja laitteita veden puhdistamiseen tai tuottamiseen, kuten otsonigeneraattoreita, UV‑lamppuja, suolanpoistolmembraneja, ultra‑puhtaita vesigeneraattoreita jne. Se tarjoaa myös “yksinkertaisempia” laitteita, jotka ovat yhtä tärkeitä vesitoimintoihin, kuten turbiineja, pumppuja, putkistoja, injektioita, ohjelmistoja jne., sekä huolto‑, korjaus‑ ja asennuspalveluja.

Lähde: Xylem

Vesimarkkina on edelleen hyvin fragmentoitunut, ja Xylem on yksi alan suurimmista yrityksistä, mutta se omistaa “vain” 10 % markkinaosuudesta $80  miljardin palvelualueen markkinoista.

Yritys käyttää noin 4 % myynnistään T&K:hon. Se hyötyy uusista säädöksistä, jotka koskevat PFAS (per- ja polyfluoroalkyyliaineet, tai ikuisia kemikaaleja), kun yli 6 000 hyödytysopistusta tarvitsee PFAS‑käsittelyä.

Xylem on kasvanut tasaisesti, nettotulos nousee $297 M:sta vuonna 2012 $609 M:iin vuonna 2023 säilyttäen vakaan 17‑219 % EBITDA‑marginaalin.

Kaiken kaikkiaan tämä tekee yrityksen sijoitusprofiilista vähemmän teollisuusyrityksen (usein syklinen) kaltaisen ja enemmän hyödytysyrityksen kaltaisen, joka kasvaa koko talouden mukana tai hieman sen tahdissa, kuten suurin osa sen kuluttajista.

Tutkimusviite:

^{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}