Ученые из Российского государственного университета нефти и газа (национального исследовательского университета) имени И. М. Губкина, Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, Казанского (Приволжского) федерального университета и Сеченовского университета разработали новый композитный материал на основе древесной целлюлозы. Он способен эффективно поглощать влагу из воздуха ночью, а днем — отдавать под воздействием солнечного тепла.
Основой созданного материала для сбора влаги из воздуха стала микрофибриллированная целлюлоза, состоящая из мельчайших волокон древесной массы. Они формируют прочный пористый каркас с огромной площадью поверхности. Результаты исследования опубликованы в журнале Polymers.
Чтобы усилить механическую прочность материала, на целлюлозные волокна нанесли тонкий слой пластика — полистирола. Получилась легкая и пористая матрица, включающая поры разного размера и способная поглощать влагу и выдерживать нагрузку более 30 килограммов. Благодаря иерархической системе пор материал поглощает влагу намного быстрее неармированных аналогов. Дополнительно материал пропитали ионной жидкостью (BMIMCI). В результате композит начал поглощать воду в гораздо большем объеме и без утечек, характерных для традиционных пропиток гигроскопичными солями.
«Проблему «выпотевания» жидкости мы устранили путем инновационного, но простого решения, благодаря которому в пористой матрице закрепили гигроскопичные соли CaCl2 или LiCl», — пояснил один из авторов проекта, научный сотрудник кафедры физической и коллоидной химии Губкинского университета Дмитрий Репин.
По подсчетам ученых, а также в ходе первых полевых испытаний установка производит до 2,5 литров воды на квадратный метр композитного материала за час.
«Ночью, когда влажность повышается, композит впитывает воду, днем — нагревается под воздействием солнечного света и всего за шесть часов полностью отдает накопленную влагу. Для этого хватит температуры 60 градусов — она быстро достигается под прямыми солнечными лучами сфокусированными линзой на светопоглощающий слой. Полученный пар легко конденсировать в чистую питьевую воду. Циклы можно повторять многократно: материал при этом не теряет ни формы, ни эффективности», — рассказал Репин.
Инновационную технологию получения влаги ученые реализовали в установке, которая может использоваться в сельском хозяйстве или для создания автономных систем водоснабжения. Комплекс не требует электроэнергии или топлива и работает за счет солнечного излучения и естественных суточных колебаний влажности — установка не дает выбросов углекислого газа.
«Экологичные установки могут помочь обеспечить пресной водой жаркие регионы с повышенной влажностью, например, Крым, Краснодарский край и Астраханскую область», — отметил Репин.
Ключевое преимущество технологии — экологичность. Композит основан на возобновляемом вторсырье — целлюлозе, которое можно получать прямо с деревообрабатывающих предприятий.