Новый материал литрами добывает воду из воздуха благодаря своей структуре
Гидрогели обладают высокой водопоглощающей способностью, но удерживают влагу слишком прочно. Для её удаления требуется энергетическое воздействие, чаще всего нагрев. В свою очередь, губки благодаря легкой пористой структуре легко отдают влагу. Однако их главный недостаток — чрезмерно быстрое высыхание из-за слабого удержания воды. Гидрогубка объединяет преимущества обоих материалов — высокую водопоглощающую способность при минимальных энергозатратах. Она мягкая и впитывающая, но при этом обладает пористой структурой, позволяющей легко высвобождать воду под воздействием слабого тепла, например солнечного света.
В основе гидрогубки экологически чистые компоненты — хитозан, получаемый из отходов моллюсков, γ-полиглутаминовая кислота (биополимер) и поливинилпирролидон. Для повышения эффективности преобразования солнечного света в тепло исследователи добавили в состав полипиррол. Чтобы создать особую структуру гидрогубки использовались сразу два метода вспенивания — физический и химический. В результате материал на 70% состоит из соединенных между собой пустот. Такая сеть пор позволяет пару свободно проходить сквозь материал и одновременно адсорбироваться на его поверхности. В составе также есть хлорид лития — соль, которая хорошо впитывает влагу из воздуха.
Получившаяся гидрогубка CPPY@LiCl способна удерживать и выделять воду без внешних источников энергии. Особенность материала — в способе хранения воды.
Внутри него влага существует в трех состояниях: прочно связанная с материалом, слабо связанная и свободно перемещающаяся в порах. CPPY@LiCl содержит преимущественно слабосвязанную и свободную воду, для удаления которой требуется гораздо меньше энергии по сравнению с материалами, где вода связана прочно.
Так, для испарения воды из CPPY@LiCl требуется примерно на 40% меньше энергии по сравнению с обычной водой. Кроме того, если традиционные водоудерживающие материалы обычно выделяют влагу при 80°C, то гидрогубка начинает высвобождать жидкость уже при 50°C. Это означает, что для её работы достаточно естественного солнечного тепла.
Исследователи провели серию экспериментов для оценки влагопоглощающей способности CPPY@LiCl в различных условиях. При относительной влажности воздуха 30% материал показал результат 1,64 грамма воды на грамм вещества. При повышении влажности до 60% этот показатель достиг 2,65 грамма, а при 80% — 4,21 грамма. Материал также оставляли на ночь на открытом воздухе, а днем собирали выделяемую воду.
По итогам тестов гидрогубка продемонстрировала производительность 6,29 литра воды в сутки на квадратный метр поверхности. При этом после воздействия интенсивного ультрафиолетового излучения материал сохранил 90% первоначальной способности к влагопоглощению.
На завершающем этапе исследователи проверили качество полученной воды. Собранная жидкость соответствовала нормам безопасности Всемирной организации здравоохранения и была пригодна для питья. Поэтому CPPY@LiCl может решить проблему вододефицита в различных регионах мира. Материал биоразлагаем, а для работы нужен только солнечный свет.