Американські матеріалознавці розробили гідрогелевий сорбент для захоплення води з повітря. Вони взяли цвіттер-іонний полімер і додали до нього гігроскопічний хлорид літію - в результаті вийшов матеріал з найвищою швидкістю сорбції. За добу кілограм сорбенту може зібрати майже шість літрів чистої води. Результати дослідження опубліковані в журналі
Щоб вирішити проблему нестачі чистої води, вчені та інженери постійно розробляють нові технології. Один з варіантів - збір атмосферної вологи за допомогою пористих матеріалів. Такі матеріали можуть захоплювати воду навіть з відносно сухого повітря, а потім віддавати її - наприклад, під дією тепла.
Високу ефективність демонструють сорбенти на основі гідрогелів - це гідрофільні, але нерозчинні у воді полімерні матеріали з великою кількістю крос-зв'язків. Гідрогелі добре вловлюють воду і самі по собі, а нещодавно вчені спробували додавати до таких матеріалів гігроскопічні солі, які можуть ще підвищувати кількість адсорбованої води. Однак, отримати ефективний і стабільний сорбент на основі гідрогелю з добавками солей непросто - занадто велика кількість солей може уповільнювати власне набухання гідрогелю. Крім того, через слабкі взаємодії між сіллю і полімером сіль може нерівномірно розподілятися всередині гідрогелю або зовсім вимиватися з нього.
Вирішити завдання зуміли матеріалознавці з Техаського Університету в Остіні під керівництвом Гуя Хуа Юя (Guihua Yu). За основу гідрогелю вчені взяли цвіттер-іонний полімер PDMAPS. Ланцюги цього полімеру, залишаючись загалом нейтральними, мають у своєму складі позитивно заряджені фрагменти четвертичних катіонів амонію і негативно заряджені фрагменти сульфітів (див. малюнок). Щоб отримати гідрогель, до полімеру додали крос-лінкер поліетиленгліколь діакрилат (PEGDA), який скріпив сусідні полімерні ланцюги між собою. Вийшла осередкова мережа, в якій позитивно і негативно заряджені групи розташовувалися в основному всередині комірок, орієнтуючись один до одного.
Як гігроскопічну добавку вчені використовували хлорид літію LiCl - для цього вже готовий полімер замочували в розчині солі.
Хлорид літію всередині осередків також розташовується всередині осередків полімерної мережі, при цьому катіони літію координуються до аніонів сульфіту, а хлорид-аніони - до катіонів амонію. Через це обсяг кожного окремого осередку в полімерній мережі стає більшим. Інфрачервона спектроскопія і термогравіметричний аналіз показали, що в координованому стані знаходиться приблизно п'ята частина всього хлориду літію. Така сіль розподіляються по гідрогелю рівномірно і не вимивається з нього під час сорбції і випаровування води.
Юй і його колеги додали в матеріал гігроскопічний хлорид літію, сподіваючись, що він допоможе вловити з повітря додаткову воду. Так і вийшло, але виявилося, що добавка до того ж прискорює власну сорбцію гідрогелю. У гідрогелі з хлоридом літію не тільки збільшується внутрішній обсяг осередків полімерної мережі (тобто простір, який можна буде заповнити водою) але і зростає рухливість полімерних фрагментів. Це допомагає молекулам води швидше просуватися від поверхні в більш глибокі шари, звільняючи місце на поверхні для сорбції нових молекул. За дві години при відносній вологості повітря 30 відсотків (це означає, що парціальний тиск парів води становить 30 відсотків від тиску насиченого водяного пара при таких же умовах) кожен грам матеріалу зміг зібрати 0,62 грама води. Рівноважного завантаження вдається досягти за 120 хвилин, а 80 відсотків від рівноважного завантаження - всього за 64 хвилини. За швидкістю сорбції матеріал перевершує всі відомі полімерні сорбенти.
Для того щоб витягти зібрану воду, достатньо нагріти матеріал до температури 80 градусів Цельсія - за тридцять хвилин такого нагріву можна витягти більше 80 відсотків сорбованої вологи.
Щоб продемонструвати можливості нового матеріалу на практиці, Юй і його колеги зібрали невелику пілотну установку для збору атмосферної води. Вона складалася з ємності з сорбентом, вентилятора, конденсатора і гнучкого нагрівального елемента. Сорбуюча здатність матеріалу в умовах такого експерименту трохи знизилася, але все ще залишилася вражаючою - 0,47 грама на грам сорбенту (відносна вологість була такою ж - 30 відсотків). Чергуючи 60-хвилинні цикли збору і 30-хвилинні цикли нагрівання, за добу вчені зуміли отримати 5,87 літра чистої води на кілограм сорбенту.
Матеріали на основі гідрогелю можна використовувати не тільки для збору атмосферної вологи. Наприклад, минулого року вчені виготовили з гідрогелю надійну оболонку для бактеріального сенсору на важкі метали. Гідрогелева оболонка пропускає невеликі молекули та іони металів, але залишається непроникною для бактерій і їх генетичного матеріалу.