Att göra atmosfärisk vatteninsamling mer effektiv är nyckeln i torra regioner

Rent vatten från tunn luft

In många regioner i världen är färskvatten en lyxvara. Ett alternativ för tillgång kan vara avsaltning, men detta är hittills en mycket energikrävande metod, även om vissa framsteg inom solenergi har gjort det närmare verkligheten nyligen. Havsvattenavsaltning är också inte ett alternativ för många inlandstorka regioner, som till exempel Centralasien, Mongoliet, de chilenska bergen eller större delen av Saharaöknen.

Ett annat alternativ är att fånga vattnet som finns i luften. Många öknar har faktiskt relativt hög atmosfärisk fuktighet, men av klimatologiska skäl bildas varken regn eller moln. Detta är löftet med atmosfärisk vatteninsamling. Vi har tidigare behandlat hur passiv kylning kombinerad med en silikonsbeläggning kan öka effektiviteten för gravitationsbaserad vatteninsamling.

Forskare tittar nu på att ytterligare förbättra metoden, särskilt genom att använda nya typer av polymerer. Forskare vid Osaka Metropolitan University utförde denna forskning, som publicerades i ACS ES&T Water under titeln “Vätske‑baserad polyeter‑vattensamling för drift vid nästan omgivande temperatur via hydrofilicitet‑differens‑inducerad vattenöverföring¹.”

Vattenadsorption

Ett sätt att samla vatten från tunn luft är att använda en polymer som kan ”adsorbera” vattnet. Adsorption är förmågan hos fasta ämnen att attrahera molekyler av gaser eller lösningar som de är i kontakt med på sina ytor – i detta fall vattenånga och vattendroppar som är suspenderade i luften.

I vardagen känner vi till adsorberande material som silikagel i kommersiell förpackning. Detta är faktiskt en ganska effektiv process, och den kan samla mycket omgivningsvatten.

Källa: Osaka Metropolitan University

Problemet är att få polymeren att släppa ut vattnet. Vanligtvis krävs värme på omkring 100 °C för att desorbera dessa polymerer, vilket naturligtvis gör processen mycket energikrävande och dyr. I kontrast är den nya polymeren som utvecklats i Osaka annorlunda.

Desorption vid låg temperatur

Problemet med att frigöra vattnet från polymeren är att de egenskaper som gör en polymer till en bra adsorbent också gör den dålig på att släppa vattnet, vilket kräver hög temperatur för att ske.

Tidigare försökte forskarna blanda poly(etylen glycol) (PEG) och oligomerisk poly(propylenglykol) (PPG), vilket skapade en “hydrofilicitets‑differensinducerad vattenöverförings (HWT)” mekanism.

Enkelt uttryckt skapade skillnaden i vattenadsorption mellan de två polymertyperna en svagare förmåga att hålla kvar det adsorberade vattnet. Detta möjliggjorde skapandet av ett flytande fuktadsorbent som bara kräver en temperatur på omkring 35 °C / 95 °F för att fungera.

Detta begränsade dock blandningens vattenadsorptionskapacitet, vilket gjorde den mindre produktiv även om den var mycket mindre energikrävande.

PEG-PPG-ko-polymer

I det senaste experimentet försökte forskarna blanda en PEG-PPG‑ko‑polymer med PEG istället.

Källa: ACS Publication

Denna blandning förstärkte HWT‑effekten ytterligare, vilket resulterade i det bästa möjliga resultatet:

• Låga återvinningstemperaturen bevarades
• Vatteninsamlingshastigheten var faktiskt högre än enbart PEG, som normalt är den komponent som adsorberar vatten bäst.

Den slumpmässiga PEG-PPG‑ko‑polymeren uppvisade den högsta vatteninsamlingshastigheten, över den för PEG. Den förbättrade vattenåtervinningen härstammar från den synergistiska effekten av HWT och kollapsen av vattenkluster.

Tillämpningar

Den låga temperatur som krävs för att samla vattnet och regenerera polymeren förändrar radikalt potentialen för denna teknik. Först eliminerar den behovet av energikrävande höga temperaturer, vilket radikalt förbättrar teknikens miljömässiga profil.

“Förbättringar av denna teknik förväntas också leda till minskade växthusgasutsläpp och mer effektiv användning av vattenresurser. Från och med nu kommer vi att sträva efter att förbättra det flytande fuktadsorbenten och öka hela systemets effektivitet för att göra det praktiskt.”

Masahide Takahashi – professor vid Osaka Metropolitan University

För det andra, eftersom 35 °C / 95 °F är mycket lättare att uppnå, kan den skapas genom att utnyttja dag‑natt‑cykeln, särskilt i ökenregioner där dagen är ganska varm, som de flesta öknar runt den tropiska zonen (Sahara, Mellanöstern, Indien, Mexiko & sydvästra USA, etc.).

Kallare regioner som Mongoliet kan vara mer knepiga, men kanske kan en mycket enkel metallfolie‑spegel hjälpa till att nå 35 °C‑tröskeln när solen skiner. Detta öppnar vägen för ett helt passivt system som automatiskt genererar vatten med mycket lite ansträngning.

Samma teknik kan också snabbt implementeras i regioner som akut behöver rent vatten.

”Denna teknik har potential att tillämpas inte bara för vattenförsörjning i torra regioner och områden med begränsade energiresurser utan även för att säkerställa tillgång till vatten i katastrof- och nödsituationer.”

Arisa Fukatsu – biträdande professor vid Osaka Metropolitan University

Vidare utveckling kan också byggas på denna forskning. Till exempel bevisar ingenting att den polymerblandning som upptäckts här är den optimala kombinationen.
I teorin kan många andra blandningar av hydrofila och något mindre hydrofila polymerer utföra arbetet. Så nu när principen har demonstrerats kan en systematisk utforskning av nya vattenadsorberande material hjälpa till att ytterligare förbättra avkastningen och föra tekniken närmare kommersiell livskraft.

Företag som löser vattenbrist

Xylem Inc.

Tillsammans med den europeiska Veolia är Xylem en global ledare inom vattenrening, avloppsbehandling och avsaltning. Företaget har över 23 000 anställda (varav över 6 000 ingenjörer) och är verksamt i 150 länder, med fokus på USA, med över 35 000 direkta industriella kunder.

Dess huvudmarknad är kommunalt dricksvatten och avloppsvatten, men den erbjuder också skräddarsydda lösningar till andra sektorer som hälso- och sjukvård, energi, livsmedel & drycker, olja & gas, mikroelektronik, etc.

Källa: Xylem

Xylem kan leverera de kritiska patenterade utrustningsdelarna för att rena eller producera vatten, såsom ozongeneratorer, UV-lampor, avsaltningsmembran, ultrarena vattengeneratorer, etc. Men de erbjuder också “enklare” utrustning som är lika viktig för vattenrelaterade operationer, såsom turbiner, pumpar, rörledningar, injektion, mjukvara, etc., samt underhålls-, reparations- och installationsservice.

Källa: Xylem

Vattenmarknaden är fortfarande mycket fragmenterad, där Xylem är ett av de största företagen i sektorn men ändå har “endast” en marknadsandel på 10 % av sin 80  miljarder dollar stora adresserbara marknad.

Företaget lägger omkring 4 % av sin försäljning på F&U. Det bör gynnas av nya regleringar kring PFAS (per- och polyfluoroalkylsubstanser, eller evighetskemikalier), med över 6 000 anläggningar som behöver sådan PFAS‑behandling.

Xylem har vuxit stadigt, med nettovinst som ökade från 297  miljoner dollar 2012 till 609  miljoner dollar 2023 samtidigt som EBITDA‑marginalen har hållits stabil på 17‑219 %.

Sammanfattningsvis gör detta företagets investeringsprofil mindre lik den för ett industriföretag (ofta cyklisk) och mer som en för ett verkstadsbolag som växer med den övergripande ekonomin eller något snabbare, likt de flesta av dess konsumenter.

Studierreferens:

^{1. Ikegawa, D., Fukatsu, A., Okada, K., & Takahashi, M. (2024). Vätske‑baserad polyeter‑vattensamling för drift vid nästan omgivande temperatur via hydrofilicitet‑differens‑inducerad vattenöverföring. ACS ES&T Water. https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00775}