1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

جذب آب شیرین از هوا و انتقال گرما با استفاده از یک چارچوب آلی-فلزی

افراد مقاله : ‌ مترجم - فاطمه خسرونژاد , مترجم - علی انصاری

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : آب - چارچوب آلی فلزی MOF - انتقال حرارت - جاذب تاریخ مقاله : 1398/03/21 تعداد بازدید : 85

جذب بخار آب در رطوبت نسبی پایین، از توانمندی‌های مورد نظر محققان برای تولید آب آشامیدنی در مناطق بیابانی و همچنین برای انتقال و ذخیره‌سازی حرارت است. در این مقاله یک چارچوب آلی-فلزی مزومتخلخل را گزارش می‌کنیم که به نسبت وزن خود، 82% آب در رطوبت نسبی زیر 30% جذب می‌کند. تحت شرایط شبیه‌سازی شده‌ی بیابانی، مقدار جذب این ماده‌ی جاذب می‌تواند به مقدار (g H2O)⁄(g MOF) 0.82 نیز برسد که حدود دو برابر مقدار آبی است که توسط بهترین مواد جاذب قبلی جذب شده است. به‌علاوه این ماده ظرفیت خنک‌سازی Kwh⁄m3 400 به ازای هر چرخه از خود نشان می‌دهد که به عنوان یک قابلیت ویژه برای ماده‌ی جاذب، قادر به ایجاد 20 درجه اختلاف بین دمای محیط و دمای خروجی آب است. برداشت آب توسط این جاذب به‌طور بهینه انجام می‌شود: قطر حفرات این ماده بزرگ‌تر از قطر بحرانی برای حرکت موئینگی آب است که درنتیجه آب را قادر می‌سازد که در محدوده‌ی بازگشت‌پذیر جذب شود.

 

نیاز به آب شیرین با سرعتی بیشتر از تقاضا برای انرژی در حال گسترش است که به خودی خود می‌تواند در دهه‌های آینده به کمبودی شدید منجر شود. کسری آب پیش‌بینی شده برای سال 2030، نزدیک به 2000 میلیارد مترمکعب است که این مقدار بیش از 20% کل تقاضای جهانی است. سیاره ما کمبود آب ندارد، بلکه آب‌های آن، یا شور هستند یا درون یخچال‌های طبیعی محبوس شده‌اند. علی‌رغم اینکه نمک‌زدایی، آب تازه‌ی نسبتاً ارزانی تولید می‌کند، اما احتیاج به توزیع گسترده‌ای از زیرساخت‌ها و هزینه‌ی بالای سرمایه‌ی اولیه دارد. یکی از چالش‌های بزرگ برای تولید آب، برداشت پراکنده‌ی آب از جو است؛ به‌طوری‌که صرفا امکان تولید محلی آب در جایی که آب کمیاب یا آلوده است را فراهم می‌کند. عملکرد تولیدکننده‌های آب اتمسفری (AWGs[2]) که در حال حاضر وجود دارند بر مبنای تبرید هوا تا زیر نقطه‌ی شبنم و یا تقطیر آب از منابع آب شور است؛ که هر دوی این روش‌ها به مقدار زیادی انرژی نیاز دارند. جاذب‌های جامدی که از اختلاف طبیعی بین دما و رطوبت نسبی روز و شب برای گرفتن و آزاد کردن آب استفاده می‌کنند، راهکاری جایگزین هستند که به هیچ انرژی ورودی اضافه‌ای نیاز ندارند.

استفاده از جاذب‌های با ظرفیت بالای جذب آب، در پمپ‌های حرارتی جذبی (AHP)[3] همچنین می‌تواند چالش‌های انرژی و زیست‌محیطی مربوط به انتقال گرما را مرتفع کند. این پمپ‌ها می‌توانند با استفاده از منابع حرارتی اتلافی نظیر اگزوز موتور و یا با استفاده از یک مایع با آنتالپی تبخیر بالا، نظیر آب 40.7 ، موجب تولید اختلاف دما برای گرم کردن یا سرد کردن شوند. با توجه به توافق‌های اخیر برای حذف هیدروفلوروکربن‌ها، پمپ‌های حرارتی  جذبی راهکارهای جذابی هستند؛ با این حال کوچک‌سازی و گسترش آن‌ها به دلیل ظرفیت جذب آب پایین در جاذب‌های فعلی، محدود شده است. ما در این‌جا چارچوب آلی - فلزی (MOF)  مزومتخلخلی را گزارش می‌کنیم که رفتار جذب آب از خود نشان می‌دهد و امکان برطرف کردن چالش‌های موجود در زمینه‌ی تولید آب شیرین و پمپ‌های حرارتی را دارد.

در انتخاب جاذب آب بهینه، عوامل پایداری، آب‌دوستی و قطر تخلخل‌ها اهمیت حیاتی دارند. MOF ها انعطاف‌پذیری لازم برای بهینه‌سازی تمامی این پارامترها را در آن واحد از خود نشان می‌دهند که در غیر این مواد، برای یک ماده به‌تنهایی، کار مشکلی است. به دلیل اینکه پایداری در برابر آب می‌تواند یک چالش برای چنین موادی باشد، کربوکسیلات‌های فلزی زودگذار و آزولات[4]های فلزی که در مقابل آب نسبتاً پایدار هستند، انتخاب‌هایی منطقی برای جذب آب به شمار می‌روند. آب‌دوستی حفره‌ها باید به مقدار کافی باشد تا امکان جوانه‌زنی (قطرات) آب و پرشدن حفرات را در رطوبت نسبی زیر 30% در اکثر کاربردها فراهم سازد. در آخر برای جلوگیری از هیسترزیس[5] ناخواسته در واجذب آب، قطر حفره‌ها باید کم‌تر از قطر بحرانی (Dc) برای مایع مورد‌استفاده باشد، این مقدار به‌صورت قطری از حفرات تعریف می‌شود که در آن مکانیسم جذب از پرشدن پیوسته‌ی حفره به چگالش مویرگی هیسترتیک تبدیل می‌شود. برای فاز بخار مایعات، Dc از طریق معادله‌ی Dc=4σTC/(TC-T) محاسبه می‌شود که در آن σ و TC به ترتیب قطر واندروالس و دمای بحرانی ماده‌ی جذب‌شونده و T دمای جذب است. برای آب، Dc برابر 20.76 Å در دمای 25°C است که نشان می‌دهد جاذبی با قطر حفره‌ی حدود 20Å می‌تواند حداکثر حجم داخلی دردسترس برای پرشدن با آب را در عین دوری از اثر چگالش مویرگی برگشت‌ناپذیر، فراهم کند.

یک دسته از موادی که تمامی این عوامل مورد نیاز را دارا است، ترکیبات ذیل (شکل 1، طرح S1) هستند؛

M2Cl2(BTDD) (M=Mn (1), Co (2), Ni (3); BTDD=bis(1H-1,2,3-triazolo[4,5-b],[4′,5′-i])dibenzo[1,4]dioxin)

از ویژگی‌های این ماده، کانال‌های مزومتخلخل بزرگ با قطر 22Å است که نزدیک به Dc آب است.

حفره‌ها به عنوان زنجیره‌های یک‌بعدی اتم‌های فلزی با عدد همسایگی پنج و با محل‌های همسایگی آزاد آب‌دوستی که توسط پیوندهای قوی فلز-آزولات تقویت شده‌اند، تعریف می‌شوند. به خاطر تمامی این ویژگی‌ها، ماده پایداری ویژه‌ای در راستای آنالیت‌های قطبی نظیر آمونیاک از خود نشان می‌دهد و ما پیش‌بینی کرده‌ایم که آن‌ها احتمالا باید خواص بهینه‌ای در جذب سطحی آب داشته باشند. ایزوترم‌های جذب بخار آب در 298 K برای 1، 2 و 3 اندازه‌گیری شده است (شکل 2A). همه‌ی مواد، نوع پنج از ایزوترم ها را نشان می‌دهند که شامل یک پله‌ی جذب در حدود 0.28 P/Po (معادل RH=28%)[6] هستند که به شروع پرشدن حفره‌ها نسبت داده می‌شود. قبل از این مرحله، آب احتمالا به خاطر جذب خوشه‌ای پیرامون محل‌های فلزی آزاد، جذب سطحی شده است. برای نمونه‌ی 1، شروع پرشدن حفره‌ها هم‌زمان با فروپاشی حفره و بازآرایی ساختاری است که از طریق جذب کلی بسیار کمتر از 0.389  اثبات می‌شود. الگوی پراش اشعه X نمونه‌ی پودری در این مورد مطابق با مواد بی‌شکل (شکل S1) و سطح ظاهری به‌شدت کاهش‌یافته (شکل S2) است. در مقابل، نمونه‌های 2 و3 از آن‌جایی که حفراتشان با آب پر شده است، پله‌های جذب بزرگ و با شیب تندی را نشان می‌دهند. این مواد بعد از جذب آب نیز بلوری باقی می‌مانند و سطح ویژه‌ی بالای BET خود را که به ترتیب برابر  1912 و  1762 است، حفظ می‌کنند (شکل‌های S3 - S6). مقدار کل آب جذب‌شده توسط نمونه‌های 2 و 3 در رطوبت نسبی 94%، به ترتیب برابر  0.968 g.g-1و g.g-1 0.766 است (شکل 2A). هیسترزیس ناچیز بین جذب و واجذب آب نشان‌دهنده‌ی این است که جذب آب با فرآیند پرشدن برگشت‌پذیر حفره‌ها بیشتر از چگالش مویرگی برگشت‌ناپذیر است. از جذب آب در رطوبت نسبی بین 10% و 30% به عنوان ظرفیت قابل تحویل یاد می‌شود؛ زیرا جذب در این ناحیه به واسطه‌ی فرآیندی با نیروی محرکه‌ی کافی و نسبتا زیاد است تا در کاربردهای AHP و AWG قابل استفاده باشند و درعین‌حال امکان احیای ماده در دمای پایین وجود دارد. شکل 2B برتری نمونه‌ی 2 را از دیدگاه علم مواد در این محدوده‌ی رطوبت نسبی در مقایسه با سایر MOFها و زئولیت‌هایی که برای خواص جذب آبشان مورد تحقیق قرار گرفته بودند، نشان می‌دهد.

به علت ترجیح رفتار جذب آب نمونه‌ی 2، ترکیبCo2Cl2BTDD  با جزئیات دقیق‌تر و با در نظر گرفتن قابلیت ویژه‌ی کاربرد آن در AWG ها و AHP ها مورد بررسی قرار گرفت. گرمای جذب آب توسط نمونه‌ی 2، توسط ایزوترم‌های جذب آب متنوعی که روی معادله کلازیوس- کلاپیرون تطابق داده شده‌اند، اندازه‌گیری شده که مقدار آن در ابتدا تقریباً برابر  55 بوده و به  45.8 در حین پرشدن حفرات افت می‌کند (شکل S7) که این عدد به گرمای تبخیر آب که  40.7 است، نزدیک‌تر است و نشان می‌دهد که برهم‌کنش‌های آب - آب در حین پرشدن حفرات غالب هستند. ایزوترم‌های متنوع جذب آب این امکان را فراهم می‌آورد که بتوان منحنی مشخصه‌ای را رسم کرد که متغیرهای مستقل کنترل‌کننده‌ی جذب یعنی دما و فشار را به پارامتر واحدی که به انرژی آزاد گیبس فرآیند جذب مربوط است، تبدیل کند. منحنی مشخصه اجازه می‌دهد که یک ایزوترم در دمای مشخص به مقادیر دما و فشار مرتبط با دستگاه‌های مختلف، برون‌یابی شود. منحنی مشخصه برای نمونه‌ی 2 (شکل S8) با اندازه‌گیری ایزوترم‌های بخار آب در 283، 293 و 298 کلوین مورد اعتبارسنجی و تایید قرار گرفت (شکل S9). ما سپس از این منحنی مشخصه برای تولید ایزوترم‌های جذب و واجذب در دماهای مربوط به کاربردهای AHP و AWG استفاده کردیم (شکل S10 و S11).

قابلیت نمونه‌ی 2 برای تولید آب آشامیدنی در مناطق بیابانی با شبیه‌سازی واقع‌گرایانه‌ی دمای روز / شب و شرایط رطوبت نسبی موجود در آتاکاما[7]، سونوران[8] و صحراهای عربستان[9] ارزیابی شد: شرایط از C45° و رطوبت نسبی 5% در روز، به مقادیر C25° و رطوبت نسبی 35% در شب تغییر می‌کند. بر مبنای ایزوترم‌های مشتق شده از منحنی مشخصه در این شرایط محیطی، پیش‌بینی می‌شود ماده‌ی 2، در هنگام شب 82% وزنی خود آب جذب کرده و در طول روز آزاد کند (شکل 3A). این میزان تقریباً دو برابر ظرفیت بهترین ماده‌ی قبلی گزارش‌شده برای این کاربرد یعنی MOF-841 است که تنها 42% وزنی آب را جذب و آزاد می‌کند. تکرار چرخه‌ی ماده‌ی 2 تحت شرایط صحرایی در روز و شب شبیه‌سازی شده، ظرفیت اولیه‌ی قابل تحویلی معادل 84.7% را نشان داد که به پیش‌بینی‌های منحنی مشخصه شباهت چشمگیری داشت؛ این مقدار طی 6 چرخه تنها مقدار 5.1% وزنی کاهش داشت (شکل 3B). برجسته کردن جنبه‌های جالب ماده‌ی 2 برای جذب آب، به نوعی اثبات جدید و زیبای مطالعه‌ی اصلی است که قطعه‌ای را که MOF-801 به‌عنوان جاذب فعال در آن استفاده شده است، معرفی می‌کند که در هر چرخه،  0.3 آب تحویل می‌دهد؛ درحالی که در قطعه‌ای مشابه، ماده‌ی 2 برای جذب و آزادسازی استفاده شده و مقدار  0.87 آب در هر چرخه تولید می‌کند.

بررسی پارامترهای ترمودینامیکی جذب آب در ماده‌ی 2، عملکرد استثنائی آن را در انتقال گرما پررنگ‌تر می‌کند. عملکرد دوگانه‌ی آب - ماده‌ی 2 و مایع - جاذب منجر به ایجاد کاهش دمای C20° می‌شود، که همان محدوده‌ای است که به‌طور مثال برای یک چگالنده‌ی هوا لازم است. این اختلاف دما می‌تواند توسط ظرفیت خنک‌سازی معادل 400  به ازای هر چرخه قابل دست‌یابی باشد (شکل 4A) که این مقدار (صرف نظر از دمای بازآرایی) حداقل 50  بیشتر از هر نوع جاذب شناخت شده‌ی دیگری است. در یک AHP فرضی که از منابع گرمایی کم‌توان استفاده می‌کند، ترکیب 2 می‌تواند با استفاده از گرمای هدر رفته به مقدار تنها C55°، احیا شود (شکل S12). چنین دستگاهی بسته به ماده‌ی مورد استفاده، یک ضریب عملکرد (COP) خواهد داشت که به‌صورت نسبت انرژی سرمای مفید خروجی به انرژی گرمایی ورودی تقسیم بر 0.885 تعریف می‌شود (شکل 4B). در سنجش عملکرد این دستگاه‌ها، COP برای کاربردهای خنک‌کنندگی AHPها در محدوده‌ی 0 تا 1 متغیر است. به‌طور قابل ملاحظه‌ای، عملکرد ترکیب آب - ماده‌ی 2 بالاترین مقدار COP را برای هر ترکیب جاذب - مایع در محدوده‌ی وسیعی از دماهای واجذب داشت. COP بالای این ماده، نتیجه‌ی مستقیم نسبت بسیار بالای جذب آب به وزن آن است: انرژی حرارتی بسیار کمی برای گرم کردن جاذب مصرف می‌شود زیرا در مقایسه با سایر جاذب‌ها، میزان جامد کمتری به ازای یک ظرفیت جذب آب مشخص لازم است. ماده‌ی 2 در چرخه‌های متناوب تحت شرایط AHP نیز به خوبی پایدار است (شکل 4C). در تغییر شرایط محیطی برای ماده‌ی 2 بین 25 و 120 درجه سانتی‌گراد در فشار بخار آب ثابت  mmHg 13 بعد از 30 چرخه، ظرفیت وزنی اولیه‌‌ای بیشتر از g.g-1 1 با کاهش تنها 6.3% جذب وزنی و بدون هیچ‌گونه کاهش بلورینگی را نشان داد (شکل S5).

داده‌های بالا، ماده‌ی 2 را به‌عنوان بهترین جاذب برای کاربرد در AWG و AHP نمایان می‌کند. با استفاده از این ماده در AHPها، کاربرد آن در خودروها که منبع آماده‌ای از گرمای هدر رفته در موتورهای احتراق خود دارند، بسیار جذاب خواهد بود. درواقع برای شرایط دمای خارجی C32°، خروجی چگالنده‌ی هوا می‌تواند C12° باشد که صرفا از بازیابی دمای حدود C55° استفاده می‌کند. با استفاده از AWGها و گسترش ماده‌ی 2 در مناطقی که دما و رطوبت نسبی بین شب و روز نوسان داشته و در حال تغییر هستند، جذب در رطوبت نسبی 28% امکان تولید آب شیرین مورد نیاز را فراهم می‌کند و بنابراین نیازهای زیرساختی قبلی را برطرف می‌کند. اگرچه این جاذب‌ها هنوز در مقیاس وسیع تولید نشده‌اند، اما اخیرا تحلیل‌های هزینه‌ی تولید MOFها نشان داده است که این مواد می‌توانند به‌صورت اقتصادی در مقیاسی مشابه سایر کالاهای شیمیایی تولید شوند.

این نتایج اساساً نشان می‌دهند که جاذب‌هایی با اندازه‌ی حفراتی در محدوده‌ی قطر بحرانی برای مایع مورد استفاده، حداکثر جذب مایع، در عین هیسترزیس محدود را دارند. اهمیت قطر بحرانی مخصوصاً برای CoCl2BTDD به‌خوبی در اینجا شرح داده شده است که محل‌های فلزی آزاد، قبل از پرشدن حفرات به آب متصل می‌شوند. این امر به‌طور مؤثر قطر حفره را کاهش داده و آن را به قطر بحرانی می‌رساند. سپس آب از طریق پرشدن پیوسته و برگشت‌پذیر حفرات، جذب می‌شود. بنابراین در موادی با اندازه حفرات بزرگتر از قطر بحرانی، ایجاد محل‌های جاذبی که به‌طور قوی و با توزیع یکنواخت جذب می‌کنند باید در ابتدا باعث جذب اولیه و سپس پرشدن حفره‌ها شود که می‌توان از این روش به‌عنوان یک استراتژی عمومی برای طراحی جاذب‌های مناسب برای هر دو کاربرد جذب آب و انتقال حرارت استفاده کرد.

 

منبع

Adam J. Rieth, Sungwoo Yang et al., ACS CENT. SCI., 2017, 3, 668-672.