Pitná voda je v některých oblastech nedostatkové zboží, čištění vody je náročný proces vyžadující speciální zařízení. Nyní se povedlo připravit materiál, který dokáže získávat vodu ze vzduchu a nepotřebuje k tomu žádnou další infrastrukturu.[1]
Základem materiálu je aerogel, ten se připravuje superkritickým sušením gelu.
Důležité pojmy
Gel, xerogel, aerogel
Gel – gel je pevný koloidní systém tvořený porézní polymerní sítí, jejíž póry jsou vyplněny kapalinou. Připravuje se zpravidla sol-gelovým procesem. Připravený gel je následně sušen, pokud sušení provádíme klasicky, např. v sušárně za normálního tlaku dojde vlivem kapilárních sil ke zhroucení 3D struktury pevné fáze a získáme xerogel. Zpravidla jako prášek nebo monolit.
Pokud ale v gelu zaměníme kapalinu za plyn tak, aby nedošlo k porušení struktury sítě gelu, získáme aerogel. To se provádí pomocí tzv. superkritického sušení, tzn. sušení za podmínek nad kritickým bodem kapaliny. Pro gely připravované ve vodě se postupuje tak, že je voda nejprve nahrazena acetonem a ten je následně za zvýšeného tlaku vymyt kapalným oxidem uhličitým. Oxid uhličitý se používá pro jeho výhodný kritický bod (7,39 MPa a 31,1 °C). Za těchto podmínek pak můžeme oxid uhličitý ze struktury odstranit, aniž by došlo ke zhroucení 3D sítě. Aerogely mají velmi nízkou hustotu a vysoký měrný povrch (BET, >300 m2.g-1).
Kritický bod
Kritický bod je bod na fázovém diagramu, kterým končí křivka vypařování. Je popsán stavovými veličinami, které se označuj jako kritický tlak, kritická teplota a kritický objem. V tomto bodě mizí rozhraní mezi kapalinou a párou.
Příprava aerogelu
Připravený aerogel je kombinací MOFu MIL-101(Cr) a polymerů NIPAM (N-isopropylamid) a mBAm (N, N‘-methylenbisakrylamid).
MIL-101(Cr)
MIL-101 je MOF složený z iontů chromu propojených linkery z kyseliny tereftalové.[2,3] Dosahuje velmi vysokých hodnot měrného povrchu (2600 m2.g-1) při velikosti částic pod 10 μm.
MOF byl připraven reakcí dusičnanu chromitého (Cr(NO3)3·9H2O) s kyselinou tereftalovou (H2BDC) a hydroxidem tetramethylammoným. Reakční směs byla zahřívána v autoklávu na teplotu 180 °C po dobu 24 hodin. Získána zelená sraženina byla dispergována v dimethylformamidu a míchána dvě hodiny při teplotě 120 °C.
Získávání vody z vlhkého vzduchu
U získaných aerogelů byla testována schopnost získávání vody z vlhkého vzduchu, aparatura byla velmi jednoduchá, aerogel byl položen na sběrné nádobě. Aerogel se nejprve nasytí vlhkostí ze vzduchu a až je jeho kapacita zaplněna začne ji uvolňovat do sběrné nádoby. To umožňuje kontinuální získávání vody v kvalitě splňující limity pro pitnou vodu. Zjištěná rychlost získávání vody je optimistická, ve vzduchu o 90% vlhkosti jde až o 6,04 g.g-1.den-1, tzn. že jedním gramem aerogelu lze získat 6,04 g pitné vody za den.