環境適応型MOF - 株式会社リレー

Nature Communications volume 13、記事番号: 4873 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

金属有機フレームワーク (MOF) ベースのデバイスによって砂漠の乾燥した環境から水蒸気を収集し、きれいな液体の水を供給することは、環境と気候条件に大きく依存します。しかし、報告されている装置は、動作中にそのような条件にリアルタイムで適応するようにまだ開発されておらず、水の生産効率が大幅に制限され、電力消費が不必要に増加します。ここでは、「適応型水採取」と呼ばれる水採取動作モードを報告および詳細に説明します。このモードから、MOF ベースのデバイスは、水採取サイクルの吸着および脱着段階を、特定の日の天候変動に適応させることができることが証明されています。週、月ごとに水生産効率が継続的に最適化されます。砂漠の乾燥気候（相対湿度 17 ～ 32%）での性能評価実験では、適応型水採取装置は、最も性能の高い装置と比較して、水生成量の 169% 増加（3.5 LH2O kgMOF－1 d－1）を達成しました。報告されているアクティブデバイス (相対湿度 10 ～ 32% で 0.7 ～ 1.3 LH2O kgMOF-1 d-1)、より低い消費電力 (1.67 ～ 5.25 kWh LH2O-1)、必要なサイクルが対応するアクティブデバイスよりもほぼ 1.5 サイクル少ないため、時間を節約できます。デバイス。さらに、生産された水は、技術を導入する可能性のある国の国家飲料基準を満たしています。

気候変動、水資源の不適切な保護、灌漑農業の拡大、水を大量に消費する商品の輸出増加、人口増加の直接的な結果として、2050 年までに 60 億人が水不足に直面することになります1、2、3。世界的な水危機に対処しようとする場合、従来のアプローチは、総水需要を考慮せずに、国家の水供給量と水利用者のニーズを組み合わせることでした 1,4。世界レベルでは毎年そのような需要を満たすのに十分な淡水が利用可能ですが、水の需要と利用可能性の地理的および時間的変動は大きいため、水不足は年間の特定の時期に発生し、変化します1,4。水不足国にとっての理想的な第一歩は、外部の水資源への依存度を下げ、水を大量に消費する商品を輸入する政策を策定することです。そうしないと供給量が枯渇したり、国内で持続的に生産できなくなったりします1,5。確かに、これは大きな影響を与えるでしょう。 1996 年から 2005 年にかけて、世界の水使用量のほぼ 5 分の 1 が国内消費ではなく輸出に充てられました5。並行して、水不足の時代には、無収水の体系的な削減、淡水化、廃水処理、再利用、水の再利用など、水の再生利用、造成、生産、および/または配送の代替手段を追求し、実現する必要があります。さまざまな形での収穫6、7、8。これらはいずれも、さまざまな環境や気候条件下で国内需要を満たす水の供給を補完することに多かれ少なかれ成功していることが証明されていますが、1 つの新興技術である吸着剤ベースの大気水回収は、捕捉、収集、凝縮における実証済みの可能性で際立っています。濃度が低い気候条件（すなわち、砂漠、乾燥地域）における水蒸気9、10、11。吸着剤ベースの大気水回収では、拡張された多孔質結晶材料の一種である金属有機構造体 (MOF) が、適切な相対湿度 (RH) での理想的な水の取り込み挙動と容量、好ましい物理吸着の反応速度論と熱力学を考慮すると、最高の地位を占めています。および加水分解安定性12、13、14、15、16。

大気中の水の回収に MOF やその他の吸着材を使用する場合、その用途を利用したデバイスの 2 つの動作モードが報告されています 17。 1 つ目は受動的モードで、RH が最大になる夜間に MOF ベッドを大気にさらすことによって水が生成されます 18、19、20、21。日中、RH が最小になると、太陽光によって発生した熱を利用して MOF から水分が脱着され、水分は受動デバイスの周囲の壁に凝縮されます。パッシブモードは実質的に 24 時間の 1 回の吸着 - 脱着サイクルであり、そのパフォーマンスは、所定の RH で使用される MOF の取り込み容量に依存します。 MOF-801 (30% RH で 37 wt% の水分取込み能力) を使用する場合、100% の効率で機能する理想的な受動デバイスは、30% RH で 588 mLH2O kgMOF-801−1 d−1 を生成します18,19,20,21、 22. 報告されている水生成値の範囲は 100 ～ 300 mLH2O kgMOF-801-1 d-1 です。これは、受動デバイスがその容量の 51% 未満の効率で動作していることを意味します。人間の毎日のニーズを満たすのに適した水の生成 (≧3.5 L) を達成するには、かなり多くの材料を使用する必要があります (例: 12 ～ 35 kgMOF-801)。これは、デバイスのエンクロージャの形状と、サイクルの脱離段階に必要なガラス濃縮器のサイズに影響します。たとえば、相対湿度 68% より高い環境で 3.5 L の水を生成するには、シングルステージまたはデュアルステージの受動デバイスの物理的エンクロージャの表面積がそれぞれ 10.3 または 4.54 m2 である必要がありますが、これは単純に大きすぎます。実用的ではありません18、19、20、21。

2 番目の動作モードはアクティブな動作モードで、1 日に発生する複数の吸着 - 脱着サイクルを介して空気から水が継続的に生成されます23。アクティブモードでは、吸着フェーズは、設定された時間ファンを使用して材料ベッドに空気を強制的に送り込むことから始まります。追加の熱源による脱着がいつでも発生して捕捉された水を放出し、蒸気圧縮冷凍システムを使用して水蒸気を凝縮します。アクティブモードは、使用される MOF の動的水容量に依存し、それが循環速度と毎日生成される水の量に影響を与えます23。報告されているアクティブデバイスは、相対湿度 32%、27 °C で最大 1.3 LH2O kgMOF-1 d-1 を生成できます。これは、同じ条件下でパッシブデバイスが達成できる量よりも 4 倍多い量です 23。これは受動的な動作モードに比べて大幅な改善ですが、毎日の消費ニーズを満たすためには、使用される kgMOF あたりの水生成が依然として不十分です。

ここでは、動作モードをパッシブおよびアクティブを超えて「適応型水採取」に拡張する MOF-801 を使用した水採取デバイスの設計エンジニアリングについて報告します (図 1)。この動作モードは以前のアクティブな動作モードを基礎としており、デバイスは 1 日に複数回の水採取サイクル (WHC、単に「サイクル」と呼ばれることもあります) を実行しますが、決定的な違いは、適応モードがタイミングと効率を最適化することです。リアルタイムの外部環境条件に基づいて各 WHC を監視します。砂漠の乾燥気候（相対湿度 17 ～ 32%）での性能評価実験では、適応型デバイスは、最も性能の高いデバイスと比較して、水生成量が 169% 以上増加しました（3.5 LH2O kgMOF-801-1 d-1）。報告されているアクティブデバイス (10 ～ 32% RH で 0.7 ～ 1.3 LH2O kgMOF-1 d-1)、より低い消費電力 (1.67 ～ 5.25 kWh LH2O-1)、対応するデバイスよりも 1 日あたりの所要サイクルがほぼ 1.5 少ないため、時間を節約できます。アクティブデバイス23。さらに、1 年以上の動作後も性能を低下させることなく、継続的かつ一貫して水を生成する適応型デバイスの能力を実証します。最後に、パネル全体の水分析が実施され、生成された水が採水技術を導入する可能性のある国 (ヨルダン) の国家飲料基準を満たしていることが評価され、証明されました。

本明細書で詳述する水採取装置の概略図。これは、３つのモジュール式コンパートメントで構成される。エアフィルター、ファン、および電気ヒーターを収容する吸気コンパートメント。アルミニウムで裏打ちされたトレイ上に MOF-801 吸着剤を保持する吸着コンパートメント。凝縮器と水収集漏斗を含む凝縮コンパートメント。 b さまざまな重要なコンポーネントのラベルが付いた水採取装置の写真。

吸着剤ベースの水回収の範囲を拡大するために、アクティブな動作モードに基づいて構築された 3 つのコンパートメントのモジュール式デバイスを構築しました。これから実証されるように、この設計は水採取プロセスのパフォーマンスを向上させる上で重要な役割を果たします。吸気コンパートメントと呼ばれる最初のコンパートメントには、サイズが 10 nm を超える固体粒子状物質がデバイスに侵入するのを防ぐエアフィルターと、デバイス内に外気を送り込むファンが含まれています (図 1a)。電気ヒーターはファンの隣に配置され、所定のサイクルの脱着段階中に、加熱された空気が MOF 細孔から吸着水を放出し、脱着された水蒸気をより高い容量で凝縮器に運ぶのに必要なエネルギーを提供できるようにしました。実際、空気の最大含水量は 60 °C で 130 g m-3、20 °C で 17.3 g m-3 であるため、空気を加熱すると、脱離した水を輸送する空気の能力が 7 倍以上増加します。蒸気24。最初の RH および温度センサーは、MOF 材料を通過する前の空気を測定するために電気ヒーターの前に配置されました (補足注 1 を参照)。

収着コンパートメントと呼ばれる 2 番目のコンパートメントは、吸気コンパートメントに直接直列に接続されており、空気流と平行に配置された 8 つのトレイ (さらに追加する余地あり) が含まれていました (図 1)。各トレイは、熱輸送を高め、水の脱着を促進するためにアルミニウム (厚さ 2 mm) で裏打ちされていました。アルミニウムの熱伝導率ははるかに高く (KAl = 205 W m−1 K−1 対 Kacrylic = 0.2 W m−1 K−1)、フーリエの法則を適用すると、同じ値に達するまでに 1000 倍高い熱伝導率になります。アクリル25との温度差。このデバイスでは、10% および 30% RH でそれぞれ 22.5 および 37 wt% という高い吸水率と、材料の能力を強調する適切な α 変曲点 (P/P0 = 0.07) を考慮して、MOF-801 が使用に選択されました。乾燥した環境で水を吸着する22. さらに、MOF-801 による水の吸着は完全に可逆的であり、脱着時にヒステリシスは観察されず、60 kJ mol-1 という穏やかな水吸着エンタルピーは、再生時に大きなエネルギーペナルティを受けないことを意味します（補足注 2 を参照）22。収着コンパートメントは、性能測定のために 100 g ～ 10 kg の MOF-801 を保持できるように構築されており、上部と下部に 2 つのセンサーが配置されています。

凝縮コンパートメントと呼ばれる 3 番目のコンパートメントは収着コンパートメントに直接接続されており、より大きな蒸気圧縮 - 冷凍サイクルの蒸発器として機能する凝縮器が含まれていました。凝縮器は漏斗内に取り付けられており、凝縮した液体水を収集し、下の石化および濾過ユニットに輸送するために使用されます (図 1)。背圧、摩擦損失、または圧力降下を防ぐために、このコンパートメントの底部には 5 mm の出口穴が組み込まれています。さらに、この穴は入ってくる熱風の継続的な流れを保証するだけでなく、凝縮水を石化および濾過ユニットに強制的に送ります。凝縮コンパートメントにはセンサーが 1 つあり、MOF-801 ベッドにさらされた後の空気の RH と温度を測定するために凝縮器の前に配置されています (図 1b)。

装置を構築した後、アクティブな動作モードを介して低相対湿度で水を生成する性能をテストしようとしました。能動的な水回収サイクル (WHC) は次のように定義されました: 40 分間の吸着段階 (吸着段階は、ファンによって外部環境から 3 つのコンパートメントすべてを通して空気を単に引き込むこととして定義されます) に続いて 20 分間の脱着段階 (脱着段階)これを 2 回繰り返し、その時点で次の WHC を再開する前に再生フェーズが実行されました (再生は、加熱なしで 15 分間の空気流、加熱なしで 10 分間の空気流として定義されます)。水滴を収集するためのコンデンサーの冷却は行わず、次の WHC を開始する前にデバイスを平衡化するためにファンを使用せずに 5 分間放置しました)。各段階のタイミングは、時間の関数として水の生成を視覚的に示す予備測定に基づいて結論付けられたことに注意してください（補足注 3 を参照）。このアクティブな WHC 定義に基づいて、当社の集水装置はさまざまな環境条件 (10 ～ 70% RH および 15 ～ 35 °C) で検査され、エネルギー消費量 1 日あたり 1.2 ～ 2.6 L の水を生成できることが証明されました。 3 ～ 7 kWh L−1 (補足注 3 を参照)。

機能的で効率的な大気中の水分回収に MOF を使用する重要性は、空気中の水蒸気を効果的に濃縮して露点を上昇させる能力です 13、14、15。ここで指摘しておくことが重要ですが、これまでの文献は温度の影響を考慮せずに、水生成の基礎として RH のみに焦点を当てていた9、10、11、18、19、20、21。実際、大気中の水を採取するプロセスでは、露点値を通じて RH と温度の両方を考慮する必要があります。実際、露点は、その瞬間における空気中の実際の水の量を反映するため、これ以降の議論はすべて、水生成の基礎として露点に依存することになります。この概念は、MOF-801 ベースのデバイスの試運転で凝縮コンパートメント内のセンサーからの脱着データを 101.3 kPa の乾湿図にプロットすると、容易に視覚化できます。図 2 に示すように、デバイスが 30% RH、22 °C の外部条件で動作している場合、露点は 3.6 °C に相当します。吸着段階が完了した後、MOF-801 の細孔から水分の脱着を開始するために、10 分間加熱すると露点が 8.3 °C まで上昇しました。さらに、さらに 10 分間加熱すると、露点は 11.2 °C とさらに高くなりました。この一見わずかな露点上昇は、MOF-801 を使用しない空気の直接冷却 (つまり 55% 削減) と比較した場合、凝縮器の消費電力に大きな影響を与えます (補足注 3 を参照)。この点を超える追加の加熱は不必要であり、そのような加熱は露点のさらなる上昇につながらず、したがって脱着段階（合計 20 分間の加熱）の終了を示すため、エネルギー損失と見なすことができます。ここで疑問が生じます。外部条件がここで測定したものと異なる場合、それは特定の WHC の吸着および脱着段階を実行するための規定時間にどのような影響を与えるのでしょうか? 実際、装置のこれらの収着段階は適応性がなく、広範囲の条件に最適化されていないことは容易に想像できます。

WHC の脱着段階における凝縮コンパートメントの応答は、環境条件が 30% RH および 22 °C (青) である開始点での乾湿図に示されています。 10 分間 (緑色) と 20 分間 (オレンジ) の加熱を最適化すると、露点がそれぞれ 4.7 °C と 7.6 °C 上昇します。この露点の上昇は凝縮器の消費電力に大きな影響を与えます。ソースデータはソースデータファイルとして提供されます。

次に、アクティブモードの制限に基づいて、「適応型水採取」と呼ばれる 3 番目の動作モードの開発を模索しました。この適応モードの基本コンセプトは、外部環境の RH と温度を測定し、露点値を通じてそれらを組み合わせるというものです。次に、水採取装置は、この測定露点をリアルタイムで読み取り、その値に従って反応するように吸着および脱着段階の動作を指示するようにプログラムされました。原理的には、循環速度が適応可能であり、時間 d あたりの生産性が最大化されるため、これにより最大の水量が得られます。

適応デバイス開発の最初のステップは、MOF-801 (400 g) が任意の環境条件で完全飽和に達するまでに必要な時間を理解することでした。これを行うために、80 °C の熱風を吸着コンパートメントに 2 時間強制的に通すことにより、MOF-801 の完全な脱着プロセスが実行されました。次に、MOF-801 を厳しい条件 (35 ～ 40 °C、相対湿度 15、18、および 26%) の空気にさらし、凝縮器コンパートメントでの露点応答を記録しました。図3aに示すように、露点は時間の関数として定常状態の値まで減少し、その後、外部環境条件に基づいた値に着実に戻ります（補足注4を参照）。開始露点値と定常状態の露点値の差が MOF-801 による吸着水の量を反映しているとすると、吸着段階に必要なタイミングを解明できます。たとえば、相対湿度 26%、露点温度 14 °C では、空気の絶対湿度 (つまり、空気中の実際の水分量) は 11.4 gH2O m-3 になります。吸着時間を 51 分に延長すると、絶対湿度 5.29 gH2O m-3 で定常状態の露点値 3.4 °C に達します。これは、その時間中に MOF-801 内で 300 gH2O が吸着されたことに相当します (図 1)。 3a)。吸着時間を定常状態の露点値の開始時間である 21 分に短縮すると (21 分での露点 = 5.1 °C)、同じ理由により、280 gH2O が MOF-801 内に吸着されます。吸着される水の量は 7% 減少しますが、タイミングの違いは顕著です。さらに、18 および 15% RH での測定の定常状態の露点値の開始も時間 (17.5 分および 15 分) に関して特定され、吸着水の量 (それぞれ 220 および 180 gH2O) と相関していました。凝縮コンパートメントの 5 mm 出口を閉じると、空気が吸気コンパートメントに強制的に戻され、吸着時間が 12 ～ 27 分間増加することに注意してください。 MOF-801 の吸水等温線のプロファイル (図 3a 挿入図) が示すように、総取り込みの飽和は約 100 秒で発生します。 40% RH、この実験で測定された RH は、材料の吸着性能を十分に表現しています。このデータから、WHC の吸着段階が、どのような環境条件でも定常状態の露点の開始点に到達するのに必要な最小限の吸着時間を使用して動作することを保証するアルゴリズムが開発されました (補足注 4 を参照)。

a WHC の吸着段階における凝縮コンパートメントの露点応答。さまざまな環境条件で必要な相対吸着時間を示します: 15 (紫色の円)、18 (緑色の四角)、および 26% RH (青色の三角)。これらの吸着測定は、35 ～ 40 °C の温度範囲で実施されました。挿入図は、25 °C での MOF-801 の吸水等温線であり、同じ環境条件に従って吸水能力が強調表示されています。 b さまざまな環境条件で凝縮コンパートメント内で記録された相対加熱時間の関数としての脱着段階の露点応答: 14 (オレンジ色の星)、30 (ピンクの四角)、34 (青い三角)、および 45% RH (紫の丸) 。これらの脱着実験は 20 ～ 25 °C の温度範囲で実施されました。ソースデータはソースデータファイルとして提供されます。

脱着段階のタイミングの監視は比較的簡単です。デバイスは、MOF-801 (400 g) が水で完全に飽和していることを確認するために 1 つの吸着フェーズを実行することにより、この測定用に準備されました。脱着段階を開始し、凝縮コンパートメントに設置されたセンサーを監視すると、MOF-801 は空気の露点が最大まで上昇するのを観察することにより、細孔から水蒸気を放出しました。この最大値に達すると、最終的に脱離段階の終了が通知され、この時点で、この内部露点値が外部露点値と等しくなるまで徐々に減少することが観察されました (図 3b)。脱着段階は低温 (20 ～ 25 °C) およびさまざまな相対湿度 (14、30、34、および 45% RH) でテストされ、すべての測定値が同じ挙動を示しましたが、変化率は異なっていました。露点。一般に、RH が高くなると水の取り込みが多くなり、より長い脱着時間が必要になります。 MOF-801 の吸水等温線によると、約総吸収容量の 79% は 20% RH で達成されます。これは、RH > 20% では脱離段階のタイミングは比較的同じですが、RH < 20% では大きく異なることを意味します (図 3b)。吸着段階と同様に、凝縮コンパートメントの 5 mm 出口を閉じると、脱着時間の 14 ～ 32 分の増加が観察され、その結果、サイクル 1 の水生成量が 7 ～ 19 mL 減少しました。これらの測定値から、加熱時間を外部条件 (RH および温度) および使用する電気ヒーターの電力 (W) に相関させる 2 番目のアルゴリズムが開発されました (補足注 4 を参照)。

このデバイスは、エンクロージャ全体に配置されたセンサーからの RH および温度データを使用して、2 つの適応吸着および脱着フェーズアルゴリズムを適用し、外部環境条件 (RH および温度) の関数としてこれらのフェーズのタイミングを制御します。以前のアクティブモードに対するこの適応動作モードの性能を評価するために、2つの同一のデバイスに400 gのMOF-801をロードし、補足図に従って各デバイスの動作をプログラムしました。同じ条件下で、日中から夜間までの合計 14 時間にわたる、時間の関数としての相対湿度の変化に関する両方のデバイスの性能を図 4a、b に示します。この期間中、外部 RH の最低値と最高値はそれぞれ 19% と 46% と測定されました。興味深いことに、相対湿度 23%、温度 25 °C の外部条件での適応型デバイスの最初のサイクルは、アクティブ型デバイスよりも 46.5 分速いことがわかり、適応して WHC 率を高める能力を示しています。

a 同じ日の任意の時間における、同じ環境条件 (20 ～ 46% RH) の下で動作するアクティブ (オレンジ) デバイスとアダプティブ (紫) デバイスの相対湿度 (RH) 応答。サイクルタイムは、サイクルあたりの消費時間を短縮しながら、一日を通して適応型デバイスの最適化されたパフォーマンスを示します。 b 1 日を通して変化する環境相対湿度に応じて、適応型デバイスとアクティブ型デバイスによって実行されるサイクル間の時間差プロファイル。環境 RH が増加すると (青)、適応サイクル時間とアクティブサイクル時間の差は減少します (緑)。 c アダプティブデバイスとアクティブデバイスのサイクリングレートの違いの基礎となる概念的原理。低 RH では、アクティブデバイス (オレンジ色) の事前にプログラムされた吸着フェーズは、材料の最大取り込み容量に達した後に無駄になります。適応デバイス (紫色) では、吸着フェーズ中に物質の最大取り込み能力が実現されると、すぐに脱着フェーズが開始されます。 d 高 RH では、アクティブデバイスの事前にプログラムされた吸着フェーズ (オレンジ色) のタイミングは、材料の最大取り込み容量に達するまでに必要な時間よりも短くなります。適応装置は、吸着段階の時間を延長して、材料の最大取り込み能力を達成し、より多くの水を生成します。 25 °C での MOF-801 の水吸着等温線は、低 (赤 X) または高 (赤 Y) 相対湿度下での潜在的な取り込み能力と、適応型および能動型デバイスのサイクリング速度を相関させる挿入図として提供されています 22。ソースデータはソースデータファイルとして提供されます。

吸着材の水分取り込み能力がサイクル時間の延長に関係なく相対湿度によって制限されることを考慮すると、適応動作モードの利点が明らかになります。低 RH 条件下では、適応型デバイスは指定された RH で最大能力に達し、その時点で吸着段階でさらに時間を費やすことなく、すぐに脱着段階を開始します。ただし、同じ条件にあるアクティブなデバイスの場合、吸着剤はより早く最大容量に達します。したがって、吸着段階のために事前にプログラムされた残りの時間が無駄になります。同様の推論を脱着段階にも拡張できます。適応動作モードではサイクルあたりの水分摂取量が少ないため、アクティブ動作モードで使用される事前にプログラムされた脱着時間よりも短い脱着時間が必要になります（図4c）。

日中から夜間にかけて相対湿度が上昇するにつれて、サイクル速度の差は区別できなくなります (たとえば、相対湿度 46%、25 °C でのサイクル 9 では 3 分未満)。これは、夜間の相対湿度の上昇によりMOF-801の水の取り込みが増加し、その結果、適応デバイスの吸着フェーズと脱着フェーズのタイミングが増加するためです（図4a）。高相対湿度条件下では、適応動作モードは MOF-801 の最大能力に達し、達成されるとすぐに脱離段階が開始されます。同じ条件の場合、アクティブ動作モードの吸着段階の事前にプログラムされたタイミングでは、MOF-801 の最大能力に達するのに十分ではなく、水生成量が低下します（図 4d）。

この比較から、同じ気候条件下で、適応装置はアクティブ装置（2.6 LH2O kgMOF-801−1 d−1）よりも 26% 多い水（3.52 LH2O kgMOF-801−1 d−1）を生成することが証明されました。たとえば、サイクル 3 では、アダプティブデバイスの吸着フェーズ中の RH 差は 39% であったのに対し、アクティブデバイスで計算された 28% と比較します。これは、この WHC 中に MOF-801 による水の吸着が 36% 増加したことになります。同様に、サイクル 3 では、適応デバイスと能動デバイスの脱着フェーズ中の相対湿度の差はそれぞれ 37% と 26% で、これは適応デバイスによる脱着水の 45% 増加を表します。 WHC レートの増加の結果、アダプティブデバイスは、アクティブデバイスと比較して、低相対湿度条件 (20%) で WHC あたりの消費電力の 44% 削減を実現しました (補足注 5 を参照)。高相対湿度条件 (46%) で動作している場合、アクティブデバイスと比較して、WHC あたりの消費電力の 26% 削減がアダプティブデバイスによって達成されました。全体として、アダプティブデバイスは、その日の気象条件 (相対湿度 19 ～ 46%) に基づいて 1.67 ～ 5.25 kWh の LH2O-1 を消費し、アクティブデバイスよりも 1.5 サイクル少ないことで時間を大幅に節約しました。図 4b は、日中の相対湿度の変化に伴うサイクル時間の変化を示しています。

他の吸着剤駆動の水回収装置と比較して、当社の MOF-801 ベースの適応装置は、毎日の個人消費ニーズ (3.5 L) を満たすのに十分な水を生成するために必要な吸着剤の量を 75%、73%、57% 削減します。それぞれ、超吸湿性ゲル、超吸湿性ポリマーフィルム、およびヒドロゲル由来マトリックス中の吸湿性塩に基づくデバイスに関して（表１）２６、２７、２８。さらに、当社の適応デバイスは、より小さな物理的設置面積を維持しながら、超吸湿性ポリマーフィルムをベースにしたベンチマークデバイスと比較してエネルギー消費を 60% 大幅に削減します (表 1)。

パッシブモードで動作する水採取装置では、水の生成が MOF 量に直接依存することはよく知られています。ただし、コンパートメントのサイズの制限と、そのサイズの増加による消費電力要件のため、アクティブ動作モードへの直接の依存性は不明瞭であり、まだ証明されていません。適応動作モードにおけるこの依存性を評価するために、水生成出力が装置に装填された MOF-801 の量と相関する対照実験が実行されました。具体的には、デバイスに MOF-801 を 0 g (空のデバイス) から始めて 100、200、および 400 g まで徐々に負荷し、その後 20、30、および 40% RH の制御された環境条件下で動作させました。各量を搭載した（または搭載していない）デバイスの水生成量を、制御された気候条件ごとに 24 時間 3 回測定し、平均出力を補足図 32 に示しました。 50% RH および 400 gMOF-801 では、デバイスは 870 を生成しました。 mLH2O を、それぞれ 200 および 100 gMOF-801 を使用した場合の 420 mLH2O および 190 mLH2O と比較しました。装置が空の場合（MOF-801 0 g）、凝縮器は 8 ～ 11 °C（つまり、MOF 使用時の露点、図 2）に設定され、水生成量は 2 mL 未満でした。同様の傾向が他の測定条件でも観察され、MOF 量の水生成に対する依存性が確立されました。

この実験に基づいて、私たちの装置は個人消費のニーズを満たすのに十分な水を生成するために約 1.6 kgMOF を必要とします。これは、報告されている MOF ベースの活性水採取装置 (≧2.9 kgMOF が必要) および 12 ～ 35 kgMOF に必要な量よりも大幅に少ないです。受動デバイスが同じ生産量を達成するために必要な量（表1）。コンパートメントのサイズを考慮すると、当社のデバイスの物理的設計は明らかに有利です。

長期的な水の安定性と吸着能力は、水採取用途で MOF を使用するための前提条件です29。 MOF の物理化学的特性は寿命を決定する上で重要な役割を果たしますが、デバイスエンジニアリングは、MOF の特性とその結果として生じる使用寿命に (プラスまたはマイナスの) 潜在的な影響を与えるものとして考慮する必要があります。たとえば、このデバイスは熱伝達と空気の流れを最適化し、MOF 材料にかかる負担を軽減します。さらに、適応型操作モードにより、材料の安定性を過度に高めずに、サイクリング速度が最大のパフォーマンス出力をもたらすことが保証されます。アダプティブデバイスの長期性能を実証するために、デバイスが 1000 サイクル (約 1 年間の動作に相当) を超えた後、極端な条件 (相対湿度 22%、温度 25 °C) で 24 時間のストレステストを実施しました。図5aに示すように、適応型デバイスはWHCあたりかなりの量の水を生成しました（40 mLサイクル-1）。 MOF-801の構造安定性を確認するために、この応力試験完了後に粉末X線回折分析を行ったところ、MOF-801の結晶性が維持されており、単結晶からのシミュレーションによる回折パターンと一致することが確認されました。構造（補足注記 6 を参照）。

a 制御された環境 (20% RH および 25 °C) の下で実施された 24 時間のストレステスト。適応型デバイスは、パフォーマンスを損なうことなく一貫して水の生産を行います。 b 環境条件の昼夜の変動に応じた適応パフォーマンスを示す、丸 1 日の実環境パフォーマンス評価。 c 実環境での 1 週間の連続パフォーマンス。 d 凝縮コンパートメントの応答を監視して、1 か月間連続動作した場合の適応型デバイスの性能を実証します。すべてのデータは、1000 サイクルを超えるサイクルを実行した後に適応型デバイスで収集されました。これは約 1000 サイクルに相当します。稼働期間1年。ソースデータはソースデータファイルとして提供されます。

一般に、相対湿度が低いため、砂漠の乾燥地域での大気中の水の採取は、他の従来の水の採取技術では実質的に不可能ではないにしても、困難です17,30。これは、従来の水採取技術（空気の直接冷却、凝縮、霧化など）がこれらの気候条件下で効果を発揮するには膨大な量のエネルギーを必要とするためです8,31。 MOF ベースの水回収の魅力は、これらの材料が低 RH で水蒸気を選択的に捕捉し、濃縮して放出して、凝縮目的で露点を上昇させることができるという事実です 17。したがって、適応型デバイスの有用性を実証するために、デバイス (MOF-801 400 g) をヨルダンのアンマン (相対湿度 17%、気温 25 °C) の自然の砂漠の空気に 24 年間曝露する実験を実施しました。 h.

この実験から、砂漠の日中の相対湿度が低いときに、適応デバイスが 52 mL のサイクル -1 を生成したことが観察されました。これは、極端な砂漠の気候条件を考慮すると重要です。砂漠の夜の高湿度条件（50 ～ 60% RH）では、生成量は WHC あたり 2 倍になります（105 mL サイクル -1）。この実験をさらに推進するために、砂漠の乾燥した環境でデバイスを連続 1 週間継続的に動作させ、これを連続 1 か月以上に延長しました。図5b〜dに示すように、適応装置は日々の気象条件の変化に効果的に反応し、厳しい砂漠条件下でもかなりの量の液体水を継続的に生成しました。

凝縮水を個人消費用に使用する前に、水は重力濾過され、活性炭、砂、石灰石の交互層 (2 ～ 3 mm) を含むカラムを通して鉱化されます。次に、収集された水に対して完全な水分析パネルが実施され、ヨルダンの国家飲料基準を満たしているかどうかが評価されました。最初の分析は、水および廃水の検査のための標準方法 (SM 3120-B、4110-B、3111-B、および 31112-B) に従って行われ、誘導結合発光分光法によって金属の同定と濃度が測定されました。具体的には、水を分析して、Al (<0.1 ppm)、Na (5.7 ppm)、Pb (<0.01 ppm)、Cd (<0.003 ppm)、Cu (<0.05 ppm)、Mn (<0.05 ppm)、As (<0.01 ppm)、Zn (3.58 ppm)、Fe (<0.1 ppm)、Sb (<0.002 ppm)、Mo (<0.01 ppm)、Zr (<0.1 ppm)、B (<0.1 ppm)、Se (< 0.04 ppm）、Ba（<0.1 ppm）、Cr（<0.02 ppm）、Hg（<0.001 ppm）、Ag（<0.1 ppm）、Ni（<0.05 ppm）。示されているように、すべてが国の飲酒基準の規格限界を下回っていました。次いで、同じ標準方法に従って揮発性有機化合物の含有量を測定した。このため、ベンゼン (<10 ppm)、総キシレン (<20 ppm)、トリクロロエテン (<20 ppm)、テトラクロロエテン (<20 ppm)、エチルベンゼン (<20 ppm)、およびトルエン (<20 ppm) の濃度は仕様限界未満であると判断されます。最後に、微生物学的分析 (SM 9213 E、9230 B、10200、9215 AB) が実行され、緑膿菌 (<1 コロニー形成単位 100 mL-1; CFU)、糞便連鎖球菌 (<1.1 の可能性が最も高い) の含有量が測定されました。数; 100 mL-1; MPN)、糞便性腸球菌 (<1.1 MPN 100 mL-1)、藻類の種類と数 (未確認)。および従属栄養性血球数（8.3 × 102 CFU mL-1）は国家基準を満たすように決定されました。ヨルダンの飲料水基準を満たすための収集水の詳細な結果と認証は、補足注記 7 に記載されています。

理論上の 100 台のデバイスの生産に基づいて、1 kg の MOF-801 を搭載した 1 台のデバイスを生産するコストを約 100 ドルと計算しました。 625 米ドル (補足注記 8 を参照)。装置の寿命を 10 年と仮定し、適応型水採取装置の 1 日あたりの平均水生産量 (2.65 L) を考慮すると、この生産コストでは、生産される LH2O あたりのオフグリッド価格は 6.4 米国セントと予測され、装置コストは1 日あたりの使用料金は 17 米国セントです。適応型水採取装置が 1.8 ～ 3.5 L LH2O d-1 を生成するのに 1.67 ～ 5.25 kWh L-1 を消費し、ヨルダンの kWh 価格が約 100 円であることを考慮すると、 0.10 米ドル、LH2O あたりのオングリッド価格は 0.17 ～ 0.53 米ドルの範囲であり、一見高いように見えますが、商用水源よりも低いままです（補足注 8 を参照）。

相対湿度の閾値 (>10% RH) があれば、当社の適応装置は、北極圏と南極を除く世界中で動作し、安全に管理された飲料水にアクセスできずに暮らす 20 億人を超える人々の水の需要を満たすことができます。水（ＳＭＤＷ）３２．したがって、コスト分析を世界的な見通しに組み込むために、下位中位 (モロッコとナイジェリア) と上位中位 (メキシコとヨルダン) の所得分類を表す国をランダムに選択しました。実際、モロッコ、ナイジェリア、メキシコ、ヨルダンの人口のそれぞれ 31 ～ 40%、71 ～ 80%、51 ～ 60%、および 11 ～ 20% が SMDW なしで生活しており、この技術へのアクセスから恩恵を受ける可能性があります (表 2)32。。これらの国の生産コストと送電網の電力コストを考慮すると、当社の適応型集水装置は、モロッコ、ナイジェリア、メキシコ、とジョーダンはそれぞれ（表 2）。

大気条件の変化は、水の生産効率と消費電力の観点から、水の採取プロセスに大きな影響を与えます。水採取操作の適応モードを開発することにより、MOF ベースのデバイスがどのように環境に対応し、適応できるかを実証します。これにより、性能が大幅に向上しました。最も顕著なのは、報告されている最先端のデバイスと比較して、水の生産性が 169% 向上し、消費電力が 44% 削減されたことです。今後は、最適化された空気流力学（流動床、成形体など）を介して熱と物質の移動を最大化することで、MOF の収着特性をさらに活用して実際の水を回収することにつながります。さらに、適応型水採取装置の性能を 1 年以上にわたって監視することで、複数の季節的な気候変動に対応する装置の能力についての洞察が得られます。全体として、これらの将来の調査の結果を適応的な動作モードに結びつけることで、いつでもどこでも誰にでも水の安全と自立をもたらすことができる水採取装置が生み出されるでしょう。

集水装置は、壁としてのセルキャストアクリルシート (Moden Glas) によって一緒に保持された 3 つの直方体コンパートメントで構成されています。 1 枚のアクリルシートがデバイスのベース (1 × 0.6 m、厚さ 5 mm) として使用され、3 つのコンパートメントすべてに広がります。ベースには、各コンパートメントの壁にぴったり合うように規則的にカットされたスロット (40 × 5 mm) が付いています。最初のコンパートメント (「吸気コンパートメント」) は、壁として 4 枚のセルキャストアクリルシート (280 × 280 × 200 mm、厚さ 5 mm) で構成されています。内部の前壁にはゴムの裏地があり、コンパートメントに簡単にアクセスできるようにネジで密閉された事前に設計されたファセットによって上壁と側壁に接続されています。この壁には、CO2 レーザーカッター (Trotec Speedy 400) でカットされた 230 × 250 mm の窓があり、エアパネルフィルター (M フィルター No. K418) が取り付けられています。残りの上壁と側壁はクロロホルムで一緒にシールされます。吸気コンパートメント内には、アルミフィン付き銅コイル電気ヒーター (500 W) と単相交流ファン (オリックス No. MRS18-DC-F6) がエアパネルフィルターの隣に連続して配置されています。 2 番目のコンパートメント (「吸着コンパートメント」) は吸気コンパートメントに直接接続されており、以下のように 5 枚のセルキャストアクリルシートで構成されています: (i) 吸気コンパートメントとの共有壁: 290 × 370 mm、8 枚、270 × 8.5 mm空気の流れを導くためにレーザーカットされたスロット。 (ii) 後壁: 290 × 478 mm。 (iii) 上壁: 300 × 400 mm。 (iv) 前壁: 290 × 478 mm。 (v) 3 番目のコンパートメント (「結露コンパートメント」) との共有壁: 290 × 370 mm、8 個の 270 × 8.5 mm スロットがあり、空気の流れを誘導するためにレーザーカットされています。前壁にはゴムの裏地があり、コンパートメントに簡単にアクセスできるようにネジで密閉された事前に設計されたファセットによって上壁と側壁に接続されています。残りの上壁と側壁はクロロホルムで一緒にシールされます。収着コンパートメントは 8 つのセルキャストアクリルトレイ (470 × 360 mm) で構成されており、それぞれのトレイには熱伝達を促進するためにアルミニウムの内張り (厚さ 2 mm) が付いています。トレイは、2 つの共有壁に固定されたエアフロースロットの列の下に取り付けられたアクリル製の棚によって、エアフローと平行に保持されます。凝縮室は 3 枚のセルキャストアクリルシート (280 × 280 × 200 mm、厚さ 5 mm) で構成されており、内部には 3 列のアルミニウムフィン付きコンデンサー (250 × 250 mm) が収納されています。この凝縮器はステンレス鋼製漏斗 (250 × 100 mm) 内に取り付けられており、凝縮した液体水を収集し、下の石化および濾過ユニットに輸送するために使用されます。この凝縮器は、より大きな圧縮冷凍サイクルの蒸発器であるため、銅管 (1/4 インチ) を介して冷凍圧縮機 (1/3 馬力、モデル番号 GFF86AA、Siberia Co.) に接続されています。冷却ファン (250 × 250 mm、5 W) と拡張チューブを備えたアルミニウムフィン付きコンデンサー。このコンプレッサーは、作動流体 (シルド冷媒) として R-134a を使用して運転されました。凝縮コンパートメントは、底部に開けられた 5 mm の穴の出口を介して大気に半開放されていました。装置全体の温度と相対湿度を監視するために、以下の壁に 4 つの穴 (直径 20 mm) がレーザーで開けられました。 (i) ヒーターから 70 mm の位置にある吸気コンパートメントの上壁。 (ii) 収着区画の前壁の上部と底部の中央の位置。 (iii) 凝縮器前方 70mm の位置の凝縮室の上壁。これらの穴は、センサープローブ (Logitech、RCW800 Wi-Fi) を固定するために用意されました。外部環境条件を監視するために、追加のセンサープローブが 1 つ使用されました。凝縮ユニットから収集された水は、石灰石、砂、活性炭の交互層が充填されたガラスカラム (30 × 150 mm、l × d) に直ちに供給されます。その後、水は重力濾過され、鉱物化され、5 L の抗菌カーボイに収集されます。詳細な回路図は補足ノート 1 に記載されています。

MOF の合成と特性評価の詳細は補足ノート 1 に記載されています。

アクティブな水回収動作モードは、単純な吸着-脱着サイクルに基づいています。一般的な運転では、ファンとコンデンサーが 40 分間作動し、それぞれ 54.5 W と 184 W の電力を消費します。これにより、MOF 材料が外部の空気流にさらされ、水蒸気の吸着が促進されます。凝縮器は、周囲環境の露点より十分低い任意の温度に設定されました。 40 分後、ヒーターを 20 分間作動させて脱着を開始します。ファンとコンデンサーは動作したままであるため、このステージでは 239 W の電力が消費されます。加熱された空気は、MOF 材料を含む収着コンパートメントに到達するときに平均 45 °C に達しました。活動サイクルの脱着段階が開始されると、水滴が即座に形成されます。これらは、脱着段階全体を通して重力で収集され、濾過されて次のアクティブなサイクルの吸着段階に送られます。合計 60 分 (吸着と脱着にそれぞれ 40 分と 20 分) 後、1 つのアクティブサイクルが完了します。理論的には、外部周囲条件に関係なく、1 日間に 24 回のアクティブサイクルを実行できます。詳細な測定手順は補足ノート 3 に記載されています。

環境に適応した水採取動作モードは、各サイクルが吸着および脱着段階であるという点でアクティブモードに基づいています。ただし、違いは各ステージの時間と応答性です。アクティブデバイスから過去に収集されたデータを使用してアルゴリズムが開発され、uno R-3 マイクロコントローラー (Arduino)、ミニブレッドボード (400 タイポイント)、3 リレーモジュール (5 V 直流 1 チャンネル; Songle)、および外部デジタル温度および相対湿度センサー (Aosong、No. AM2315)。環境適応型水採取モードでは、吸着段階はファンとコンデンサーから始まり、それぞれ 54.5 W と 184 W の電力を消費し、外部環境条件に基づいて所定の期間作動します。設定された凝縮器温度は、環境条件から計算された露点の関数として変化しました。次に、適応アルゴリズムに基づいて所定の期間ヒーターを作動させることにより、脱着段階が始まりました。加熱された空気は、外部環境条件に応じて異なる温度に達します。水滴は脱着段階の開始時に即座に形成され、脱着段階全体を通じて重力によって収集および濾過され、次の適応サイクルの吸着段階に送られます。一般に、相対湿度スケール全体で、特に RH < 20% では、環境適応型水採取モードは、アクティブなモードよりもかなり多くのサイクルを実行できます (つまり、より多くの水を生成します)。詳細な測定値と収集されたデータは補足ノート 4 に記載されています。

著者らは、この研究の結果を裏付けるすべてのデータは、論文およびその補足情報内で、または合理的な要求に応じて対応する著者から入手できることを宣言します。ソースデータはこのペーパーに付属しています。

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著者らは、この研究に対する財政的支援について王立科学協会 (KEC) に感謝しています。 MISTI グローバルシードファンド、MIT ジョーダンアブドゥルハミードショーマン財団シードファンド (番号 0000000093; KEC)、および国際科学機関同盟 (ANSO-CR-PP-2020-06; KEC および BM) によってさらなる支援が提供されました。。中東における実験科学と応用のためのシンクロトロン光 (SESAME; MS ビームライン番号 20190028 および 20210003; KEC) のビームタイムと、マフムード・アブデラティフ博士 (SESAME) の支援。工学イヤド・アル・ダスーキ (RSS)、Eng. Bara'a Ahmed (RSS)、Eng. オマール・アブ・ザイド（RSS）、Eng. オサマ・アブ・アルヒジャ (RSS) には、物資と楽器の時間を確保するための支援、また有益な議論をしていただき感謝しています。

材料発見研究ユニット、王立科学協会先端研究センター、アンマン、11941、ヨルダン

フサム・A・アルマサド、ラダ・I・アバザ、ラマ・シウワン、バセム・アルメイサロニー、カイル・E・コルドバ

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概念化: KEC; データのキュレーションと正式な分析: HAA、RIA、および LS。実験計画、検証、調査:HAA、RIA、LS、BAM。プロジェクト管理、資金調達、およびリソース: KEC および BAM。原案: KEC および HAA。査読と編集: HAA、RIA、LS、BAM すべての著者が原稿を読んで承認し、出版に同意しました。

カイル・E・コルドバへの通信。

特許が提出されました: 英国王立科学協会 (特許出願人)、KEC および HAA (発明者)、PCT 出願シリアル番号: PCT/JO2022/050012 (優先日は 2021 年 7 月 26 日) には、いくつかの集水装置の実施形態と大気中の水生成の能動的かつ適応的な方法が含まれています。 KEC は、ここで報告されている技術の商業化を追求している企業である Green Oasis for Research and Development, LLC および AquaPoro Ventures, Ltd. の創設者であり、HAA は従業員です。 KEC と HAA は、他に競合する利害関係を宣言していません。残りの著者は競合する利益を宣言していません。

Nature Communications は、この研究の査読に貢献してくれた匿名の査読者に感謝します。査読者レポートが利用可能です。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

オープンアクセスこの記事はクリエイティブコモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブコモンズライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれています。素材が記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

アルマサド、HA、アバザ、ロードアイランド州、Siwwan、L. 他環境適応型 MOF ベースのデバイスにより、継続的な自己最適化による大気中の水の回収が可能になります。 Nat Commun 13、4873 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-32642-0

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受信日: 2022 年 4 月 22 日

受理日: 2022 年 8 月 9 日

公開日: 2022 年 8 月 19 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32642-0

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