Å gjøre atmosfærisk vanninnhøsting mer effektiv er nøkkelen i tørre regioner

Rent vann fra tynn luft

I mange deler av verden er ferskvann en luksusvare. Ett alternativ kan være avsalting, men dette er så langt en svært energikrevende metode, selv om noen fremskritt innen solteknologi har gjort den nærmere virkeligheten nylig. Avsalting av sjøvann er heller ikke et alternativ for mange innlands tørre regioner, som for eksempel Sentral-Asia, Mongolia, de chilenske fjellene eller store deler av Sahara-ørkenen.

Et annet alternativ er å fange vannet som er til stede i luften. Mange ørkener har faktisk relativt høy atmosfærisk fuktighet, men på grunn av klimatiske forhold danner de verken regn eller skyer. Dette er løftet med atmosfærisk vanninnhøsting. Vi dekket tidligere hvordan passiv kjøling kombinert med en silisiumbelegg kunne øke effektiviteten til gravitasjonsbasert vanninnhøsting.

Forskerne ser nå på å forbedre metoden ytterligere, spesielt ved å bruke nye typer polymerer. Forskere ved Osaka Metropolitan University utførte denne studien, som ble publisert i ACS ES&T Water under tittelen “Liquid Polyether-Based Water Harvester for Near Ambient Temperature Operation via Hydrophilicity-Difference-Induced Water Transfer¹.”

Vannadsorpsjon

En metode for å høste vann fra tynn luft er å bruke en polymer som kan «adsorbere» vannet. Adsorpsjon er evnen til faste stoffer til å tiltrekke molekyler fra gasser eller løsninger som de er i kontakt med på overflaten – i dette tilfellet vanndamp og vann dråper suspendert i luften.

I hverdagen kjenner vi til adsorberende materialer som silikagel i kommersielle emballasjer. Dette er faktisk en ganske effektiv prosess, og den kan samle mye omgivende vann.

Kilde: Osaka Metropolitan University

Problemet er å få polymeren til å slippe ut vannet. Vanligvis kreves varme på rundt 100 °C for å desorbere disse polymerene, noe som selvfølgelig gjør prosessen svært energikrevende og kostbar. I kontrast er den nye polymeren utviklet i Osaka annerledes.

Lavtemperaturdesorpsjon

Problemet med å frigjøre vannet fra polymeren er at de samme egenskapene som gjør en polymer til en god adsorbent også gjør den dårlig til å slippe vannet, og dermed kreves høy temperatur for å få det til.

Tidligere prøvde forskerne å blande poly(ethylene glycol) (PEG) og oligomerisk poly(propylene glycol) (PPG), og skapte en «hydrofilitetsforskjellsindusert vannoverføring (HWT)»-mekanisme.

Enkelt sagt skapte forskjellen i vannadsorpsjon mellom de to polymertypene en svakere evne til å holde på det adsorberte vannet. Dette muliggjorde utviklingen av et flytende fuktighetsadsorbent som kun krever en temperatur på rundt 35 °C / 95 °F.

Dette begrenset imidlertid blandingens vannadsorpsjonskapasitet, noe som gjorde den mindre produktiv selv om den var mye mindre energikrevende.

PEG-PPG-ko-polymer

I det siste eksperimentet prøvde forskerne å blande en PEG-PPG-ko-polymer med PEG i stedet.

Kilde: ACS Publication

Denne blandingen forsterket HWT‑effekten ytterligere, og ga det best mulige resultatet:

• Den lave temperatur for gjenoppretting ble bevart
• Vanninnhøstingsraten var faktisk høyere enn PEG alene, som normalt var den beste vannadsorberende komponenten.

Den tilfeldige PEG-PPG-ko-polymeren viste den høyeste vanninnhøstingsraten, over den for PEG. Den forbedrede vanngjenopprettingen skyldtes den synergistiske effekten av HWT og kollapsen av vannklustre.

Anvendelser

Den lave temperaturen som kreves for å samle vannet og regenerere polymeren endrer potensialet for denne teknologien radikalt. Først fjerner den behovet for energikrevende høye temperaturer, og forbedrer idéens miljøprofil betydelig.

Forbedringer av denne teknologien forventes også å føre til reduksjon av klimagasser og mer effektiv bruk av vannressurser. Fremover vil vi jobbe med å forbedre det flytende fuktighetsadsorbentet og øke effektiviteten i hele systemet for å gjøre det praktisk.

Masahide Takahashi – professor ved Osaka Metropolitan University

For det andre, siden 35 °C / 95 °F er mye lettere å oppnå, kan den oppnås ved å utnytte dag‑natt‑syklusen, spesielt i ørkenområder hvor dagen er ganske varm, som de fleste ørkener i tropiske soner (Sahara, Midtøsten, India, Mexico og sør‑vestlige USA, osv.).

Kaldere regioner som Mongolia kan være mer utfordrende, men kanskje et veldig enkelt metallfolie‑speil kan hjelpe med å nå 35 °C‑grensen når solen skinner. Dette åpner veien for et helt passivt system som automatisk genererer vann med svært liten innsats.

Den samme teknologien kan også raskt implementeres i regioner som haster med rent vann.

Denne teknologien har potensial til å bli brukt ikke bare til vannforsyning i tørre regioner og områder med begrensede energiresurser, men også for å sikre tilgang til vann i katastrofe‑ og nødsituasjoner.

Arisa Fukatsu – assisterende professor ved Osaka Metropolitan University

Videre utvikling kan også bygges på denne forskningen. For eksempel beviser ingenting at polymerblandingen som ble oppdaget her er den optimale kombinasjonen.

I teorien kan mange andre blandinger av hydrofile og litt mindre hydrofile polymerer gjøre jobben. Nå som prinsippet er demonstrert, kan en systematisk utforskning av nye vannadsorberende materialer bidra til å forbedre avkastningen ytterligere, og bringe teknikken nærmere kommersiell levedyktighet.

Selskap som løser vannmangel

Xylem Inc.

Sammen med det europeiske selskapet Veolia er Xylem en global leder innen vannrensing, avløpsbehandling og avsalting. De sysselsetter over 23 000 personer (av dem over 6 000 ingeniører) og opererer i 150 land, med hovedfokus på USA, med over 35 000 direkte industrielle kunder.

Hovedmarkedet er kommunalt drikkevann og avløpsvann, men de leverer også dedikerte løsninger til andre sektorer som helsevesen, energi, mat & drikke, olje & gass, mikroelektronikk osv.

Kilde: Xylem

Xylem kan levere de kritiske patenterte komponentene for å rense eller produsere vann, som ozongeneratorer, UV‑lamper, avsaltningsmembraner, ultra‑rent vann‑generatorer osv. Men de tilbyr også «enklere» utstyr som er like viktig for vannrelaterte operasjoner, som turbiner, pumper, rørledninger, injeksjon, programvare osv., samt vedlikeholds-, reparasjons- og installasjonstjenester.

Kilde: Xylem

Vannmarkedet er fortsatt svært fragmentert, med Xylem som ett av de største selskapene i sektoren, men som fortsatt kun har en markedsandel på 10 % av sitt adresserbare marked på 80 milliarder dollar.

Selskapet bruker rundt 4 % av omsetningen på FoU. Det bør dra nytte av nye reguleringer knyttet til PFAS (per- og polyfluoralkylstoffer, også kalt evige kjemikalier), med over 6 000 verktøy‑ og energiforsyningsanlegg som trenger slik PFAS‑behandling.

Xylem har vokst jevnt, med nettoinntekt som har økt fra 297 millioner dollar i 2012 til 609 millioner dollar i 2023, samtidig som de har opprettholdt en stabil EBITDA‑margin på 17‑219 %.

Alt i alt gjør dette selskapets investeringsprofil mindre lik den til et industriselskap (ofte syklisk) og mer lik den til et verktøy‑ eller nyttevirksomhetsselskap som vokser med den generelle økonomien eller litt over den takten, som de fleste av dets kunder.

Studierreferanse:

^{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}