Phát triển vật liệu mới có thể thụ động chiết xuất nước từ không khí
(blog.seas.upenn.edu)- Các nhà nghiên cứu tại Penn Engineering đã phát hiện một nhóm vật liệu cấu trúc nano có thể gom hơi ẩm trong không khí vào các lỗ xốp rồi đưa ra thành giọt nước trên bề mặt mà không cần năng lượng bên ngoài
- Điểm cốt lõi là cấu trúc nano xốp lưỡng ái kết hợp các lỗ nano ưa nước với polymer kỵ nước, cho phép ngưng tụ mao quản xảy ra bên trong lỗ xốp ngay cả ở độ ẩm thấp
- Khác với vật liệu nano xốp thông thường, nước không ở lại trong lỗ xốp mà di chuyển lên bề mặt; màng càng dày thì lượng nước thu được càng tăng
- Trái với dự đoán rằng các giọt nước trên bề mặt sẽ bay hơi nhanh, chúng duy trì trong thời gian dài; hiện tượng này được lý giải là do một kho chứa ẩn bên dưới các lỗ xốp liên tục được bổ sung bằng hơi nước trong không khí
- Công nghệ này có thể dẫn tới thu nước thụ động ở vùng khô hạn, bề mặt làm mát cho thiết bị điện tử và tòa nhà, cũng như lớp phủ thông minh phản ứng với độ ẩm, nhưng vẫn cần tối ưu hóa cân bằng thành phần và mở rộng lên diện tích lớn
Phát hiện bắt đầu từ những giọt nước tình cờ
- Trong khi thử nghiệm tổ hợp lỗ nano ưa nước và polymer kỵ nước tại phòng thí nghiệm kỹ thuật hóa học của Penn Engineering, các nhà nghiên cứu thấy giọt nước xuất hiện trên bề mặt vật liệu thử nghiệm
- Mục tiêu ban đầu không phải là thu nước, nhưng khi hiện tượng bất ngờ này lặp lại, nhóm nghiên cứu bắt đầu phân tích nguyên nhân
- Nghiên cứu đăng trên Science Advances đề cập đến vật liệu nano xốp lưỡng ái có khả năng thu giữ hơi ẩm trong không khí và giải phóng ra bề mặt
- Nhóm nghiên cứu có sự tham gia của Daeyeon Lee, Amish Patel thuộc Penn Engineering, Baekmin Kim — nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Lee — cùng Stefan Guldin từ Technical University of Munich và những người khác
Nguyên lý gom nước mà không cần làm lạnh
- Sự ngưng tụ trên bề mặt thông thường đòi hỏi hạ nhiệt độ hoặc độ ẩm rất cao
- Các phương pháp thu nước hiện có cũng thường phụ thuộc vào năng lượng đưa vào để làm lạnh bề mặt, hoặc vào các điều kiện hình thành sương mù dày trong môi trường ẩm
- Vật liệu lần này tận dụng ngưng tụ mao quản thay vì làm lạnh
- Đây là quá trình hơi nước ngưng tụ bên trong các lỗ xốp rất nhỏ ngay cả ở độ ẩm thấp
- Bản thân ngưng tụ mao quản không phải là hiện tượng mới
- Điểm khác biệt là nước đã ngưng tụ không bị giữ lại trong lỗ xốp, mà di chuyển lên bề mặt và xuất hiện dưới dạng giọt nước
Xác nhận nguồn gốc bên trong qua thí nghiệm độ dày màng
- Ban đầu, nhóm nghiên cứu xem xét khả năng nước chỉ đơn giản ngưng tụ trên bề mặt do các yếu tố của thiết bị, chẳng hạn như chênh lệch nhiệt độ trong phòng thí nghiệm
- Để phân định nguyên nhân, họ tăng độ dày của màng vật liệu và kiểm tra xem lượng nước tích tụ trên bề mặt có thay đổi hay không
- Nếu nguyên nhân chỉ là ngưng tụ trên bề mặt, độ dày màng đáng lẽ không ảnh hưởng đến lượng nước
- Trên thực tế, tổng lượng nước thu được tăng khi màng dày hơn, trở thành bằng chứng cho thấy các giọt nước trên bề mặt là nước đi ra từ bên trong vật liệu
Giọt nước tồn tại lâu và chu trình bổ sung
- Nếu chỉ xét kích thước và độ cong, các giọt nước đáng lẽ phải bay hơi nhanh, nhưng trong thí nghiệm chúng duy trì ổn định trong thời gian dài
- Các nhóm hợp tác bên ngoài cũng đảm nhận vai trò quan sát màng xốp trong nhiều điều kiện khác nhau và xác nhận khả năng tái lập của kết quả
- Vật liệu thể hiện các tính chất đặc biệt nhờ sự cân bằng giữa các hạt nano hút nước và polyethylene, một loại nhựa đẩy nước
- Các giọt nước trên bề mặt được kết nối với kho chứa ẩn trong các lỗ xốp bên dưới
- Kho chứa này liên tục được bổ sung bằng hơi nước trong không khí
- Sự cân bằng giữa thành phần ưa nước và kỵ nước cho phép hình thành vòng phản hồi giữa ngưng tụ và giải phóng
Thách thức mở rộng sang thu nước thụ động và làm mát
- Vật liệu được tạo từ polymer và hạt nano phổ biến, và có lợi thế là có thể sử dụng các phương pháp sản xuất có khả năng mở rộng
- Các lĩnh vực ứng dụng tiềm năng gồm:
- Thiết bị thu nước thụ động cho vùng khô hạn
- Bề mặt làm mát cho thiết bị điện tử hoặc tòa nhà
- Lớp phủ thông minh phản ứng với độ ẩm môi trường
- Nhóm nghiên cứu cũng muốn tận dụng cách tế bào và protein quản lý nước trong môi trường phức tạp để thiết kế vật liệu tốt hơn
- Bước tiếp theo là tối ưu hóa cân bằng giữa thành phần ưa nước và kỵ nước, mở rộng quy mô cho sử dụng thực tế, và khảo sát cách để các giọt nước thu được lăn khỏi bề mặt một cách hiệu quả
- Về dài hạn, công nghệ này có thể dẫn tới việc cung cấp nước sạch ở khí hậu khô chỉ bằng hơi nước trong không khí, hoặc tạo ra các phương pháp làm mát bền vững hơn
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Mô tả “kéo nước từ không khí, gom vào các lỗ xốp và giải phóng ra bề mặt mà không cần năng lượng bên ngoài” nghe giống một loại túi hút ẩm cao cấp
Những sản phẩm như https://www.amazon.com/Wisesorb-Moisture-Eliminator-Fragranc... dùng canxi clorua để hấp thụ nước từ không khí chưa bão hòa và tạo thành các giọt nước nhỏ, nhưng khi dùng hết thì phải mua mới hoặc đun để thu hồi tinh thể
Với vật liệu mới này, các giọt nước vẫn bám vào vật liệu, nên muốn loại bỏ chúng vẫn cần năng lượng. Vì chúng không rơi xuống một cái xô bên dưới thiết bị một cách kỳ diệu, nên không thể “thu hoạch” nước mà không cần năng lượng. Có thể lau bằng khăn giấy, nhưng để lấy nước ra khỏi khăn giấy đó thì lại cần năng lượng
Cách diễn đạt “vật liệu có thể thách thức các định luật vật lý” cũng sai. Các đội truyền thông đại học và nhà báo công nghệ nên được đào tạo ngắn gọn để kiểm tra lại với tác giả và hỏi thêm chuyên gia độc lập trước khi tin rằng các định luật vật lý đã bị phá vỡ
Câu có vấn đề và tiêu đề dễ gây hiểu lầm này xuất phát từ bài viết phía trường đại học: https://blog.seas.upenn.edu/penn-engineers-discover-a-new-cl...
Đúng là nó không phá vỡ các định luật vật lý, và việc tách các giọt nước ra vẫn cần năng lượng. Tuy vậy, nếu các giọt nước di chuyển ra bề mặt, thì năng lượng cần để giải phóng chúng có vẻ có thể thấp hơn nhiều so với các phương pháp hút ẩm chủ động như mối nối Peltier
https://www.amazon.sg/Thirsty-Hippo-Dehumidifier-Moisture-Ab...
Về cơ bản, nó gần giống silica gel được tăng cường
Nhìn vào Hình 4 và hình mô phỏng 3E, điều kiện để có thứ gì đó bắt đầu xảy ra dường như là độ ẩm tương đối 97% và sau vài phút. Mà đó cũng chỉ ở quy mô micromet
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
Gần như có thể thử ngay tại nhà. Chỉ cần hòa găng tay poly vào bột silica “đông khô”
Nếu năng lượng cần thiết thấp thì có thể xem đây là một công nghệ thú vị
Có thể sẽ hữu ích nếu kết hợp với bề mặt hấp thụ hoặc hệ thống truyền dẫn dựa trên mao dẫn, nhưng đây dường như vẫn là một câu hỏi còn bỏ ngỏ
Trong bài báo gốc (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349) có ghi: “Trừ khi có nêu khác, tất cả các phép đo được thực hiện ở 20° ± 0,2°C, được duy trì bằng hệ thống tuần hoàn không khí. Khi cần, nhiệt độ của màng được điều khiển bằng thiết bị gia nhiệt/làm lạnh (THMS350V, Linkam Scientific Instruments, Salfords, UK)”
Tức là nhiệt ẩn được đưa ra ngoài bằng thiết bị làm lạnh, chỉ là họ không nói rõ để trông ấn tượng hơn
Đây là không khí rất ẩm, gần ngay trước khi sương đọng. Nhiều người tập trung vào cách diễn đạt giật gân kiểu “vi phạm định luật vật lý”, nhưng thực ra nó gần với một cải tiến từng bước của quá trình xảy ra tự nhiên
Luận điểm cốt lõi là các giọt nước vĩ mô tự phát sinh từ hơi nước chưa bão hòa, và đây không phải là hiện tượng được định luật thứ hai nhiệt động lực học cho phép
Theo cách hiểu hiện tại, trong môi trường có nhiệt độ xung quanh đủ thấp, nó có thể hoạt động cả ở nhiệt độ cao hơn, nên có thể thải nhiệt ẩn bằng bức xạ thụ động. Ngay cả khi dùng bơm nhiệt chủ động, nhiệt độ cao hơn cũng có thể tăng hiệu suất. Nếu là hệ kín thì cuối cùng sẽ đạt cân bằng, nhưng không nhất thiết phải duy trì hệ kín
Có lẽ có thể phủ lớp vật liệu này lên nhôm để dẫn nhiệt ẩn đi, rồi tạo ra một thiết bị liên tục tạo nước mà không cần thêm năng lượng. Có thể hình dung một “khối lập phương” đặt trong bóng râm, gồm một cụm cánh tản làm từ vật liệu này và một thùng thu bên dưới. Điều thú vị là sau khi chế tạo thực tế, nó có thể rút được bao nhiêu lít mỗi ngày từ không khí xung quanh và trong điều kiện nào
Những thiết bị như vậy có thể thiết yếu trong thời tiết có nhiệt độ bầu ướt nguy hiểm cho con người do nhiệt độ và hàm lượng ẩm. Nếu là thiết bị thụ động hút nước trong không khí mà không cần năng lượng, nó thậm chí có thể cứu mạng
Khoảng trống giữa các hạt nano được nhựa lấp một phần, và tỷ lệ nhựa trên hạt là phần thể tích poly-ethylene (ϕPE). Họ đã thử nhiều tỷ lệ và nói rằng trong một khoảng nhất định xuất hiện hành vi thấm ướt
Về mặt thực nghiệm, bài báo nói rằng ngay cả ở độ ẩm tương đối 70% cũng có các giọt nước nhỏ hình thành bên trong vật liệu. Nếu đúng, có thể kỳ vọng sẽ có cách trích xuất các giọt nước với rất ít năng lượng. Chẳng hạn tạo các điểm thu mở trên màng, dùng siêu âm để bắn cho các giọt nước hợp nhất, hoặc tạo màng trên một vật liệu có thể bão hòa nước để các giọt nước mới dễ nhập vào dòng chảy
https://en.wikipedia.org/wiki/Volume_fraction
Nếu họ không giấu một manh mối quan trọng nào đó ở đâu đó trong bài báo, tuyên bố này có vẻ không phù hợp với định luật thứ hai nhiệt động lực học
Họ tuyên bố rằng ở nhiệt độ không đổi và độ ẩm tương đối dưới 100%, các giọt nước ngưng tụ trên vật liệu nano. Theo nhiệt động lực học mà chúng ta biết, điều này tuyệt đối bị cấm. Trong các điều kiện như vậy, nước có thể ngưng tụ trên các bề mặt lõm bên trong lỗ xốp, nhưng không thể tạo thành giọt nước lồi trên bề mặt phẳng
Cách giải thích rằng thành phần kỵ nước “ép” nước ra bề mặt cũng là vô lý. Sự ngưng tụ sẽ dừng lại trước khi tràn ra. Để nước ngưng tụ trong lỗ xốp lõm bị đẩy ra thành giọt nước lồi, áp suất thủy tĩnh phải đồng thời vừa dương vừa âm
Những lời giải thích khả dĩ chỉ là 1) bề mặt bị nhiễm bẩn 2) sai số hiệu chuẩn độ ẩm tương đối 3) họ đã bỏ sót một tấm làm lạnh giữ vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn môi trường xung quanh
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
Hơi ẩm khuếch tán vào mọi vật liệu và bay hơi theo nơi có áp suất hơi thấp. Đó cũng là lý do ở độ ẩm tương đối 40% môi bị khô, còn 70% thì ẩm hơn
Điều đang được nói tới là ngưng tụ, hiện tượng xảy ra khi không khí trở nên quá bão hòa do nhiệt độ giảm, nhưng ở đây có vẻ không phải trường hợp đó
Về lý thuyết, có thể có một vật liệu hấp thụ độ ẩm cao trong không khí, dùng các đặc tính vi mô để thúc đẩy tạo giọt nước, rồi tách các giọt đó khỏi không khí bằng một vật liệu thụ động giống lớp chống ẩm thông minh để thu hoạch nước
Những thứ ướt sẽ thu hút bụi và vi sinh vật. Có bụi và nước thì vi sinh vật càng phát triển. Chẳng mấy chốc địa y sẽ mọc lên
Đây là bài đăng lại từ bốn ngày trước: https://news.ycombinator.com/item?id=44060712
Ngoài ra, họ thật sự đã thành công trong việc làm cho nó nghe như thể vi phạm nhiệt động lực học. Thực tế thì không phải vậy, và máy hút ẩm vốn đã tách nước khỏi không khí khá tốt so với chi phí năng lượng phải trả. Vậy thì hẳn phải có một điểm bán hàng khác, nhưng tôi không thấy rõ
Máy hút ẩm kiểu ngưng tụ tốn chi phí vận hành ngang máy điều hòa, tạo ra nhiệt không mong muốn, và ồn. Máy hút ẩm dùng chất hút ẩm còn kém hiệu quả năng lượng hơn
Nếu có cách trích xuất hơi ẩm từ không khí với ít năng lượng và tiếng ồn hơn thì đó sẽ là chuyện rất lớn
Bài báo viết: “Đáng ngạc nhiên là khi PINF nanoporous lưỡng ái này được phơi dưới điều kiện chưa bão hòa cao, tức độ ẩm tương đối (RH) < 100%, các giọt nước vĩ mô tự phát xuất hiện trên bề mặt màng mà không cần làm lạnh”
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
Trước tiên thu nước, kết quả là vật liệu ấm lên một chút, rồi nó có thể được làm mát thụ động trở lại nhiệt độ môi trường
https://dune.fandom.com/wiki/Windtrap
Ước gì thông cáo báo chí đừng dùng cụm “thách thức vật lý”. Đây có thể là một phát hiện quan trọng đối với bộ ngưng tụ nước, nhưng tuyên bố rằng nó không cần nguồn năng lượng bên ngoài là hết sức bất cẩn
Gần như chắc chắn họ đã tạo ra một dạng bánh cóc Brown: https://en.wikipedia.org/wiki/Brownian_ratchet
Người ta thích tuyên bố là không có nguồn năng lượng bên ngoài, nhưng khi nhìn kỹ thì có chênh lệch nóng-lạnh, và để duy trì chênh lệch đó cần năng lượng bên ngoài. Tôi sẵn sàng cược lớn rằng vật liệu lạnh hơn môi trường xung quanh, hoặc hơi ẩm đi vào ấm hơn môi trường xung quanh. Cũng có thể là chênh lệch bên trong vật liệu, hoặc ánh sáng trong phòng thí nghiệm đang làm nóng một phía
Cũng có nhiều thiết bị thụ động dựa vào chu kỳ nhiệt độ ngày và đêm, nhưng đó cũng là năng lượng đến từ Mặt Trời
Bài viết nói họ đã cố loại trừ gradient nhiệt bằng cách tăng độ dày vật liệu, nhưng tôi không hiểu vì sao làm vậy lại loại trừ được. Gradient vẫn có thể tồn tại
Nếu họ không cố ý cấp năng lượng thì có lẽ nó rất hiệu quả, và như vậy vẫn là một việc lớn và quan trọng. Nhưng có vẻ muốn thu hút sự chú ý của công chúng thì phải tuyên bố như máy vĩnh cửu, điều đó làm tôi khó chịu
Dù là bài blog nên không thể kỳ vọng độ nghiêm ngặt như bài báo bình duyệt, cuối cùng nó vẫn gây hại cho khoa học. Niềm tin rằng một vật liệu ma thuật nào đó sẽ phá vỡ định luật thứ hai của nhiệt động lực học gần với thuật giả kim hơn là hóa học
Giả sử họ đã kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm, vật liệu lẽ ra phải nóng lên, điều này có vẻ cũng có thể giải quyết thụ động bằng tản nhiệt. Nếu điều họ mô tả là đúng thì đây là chuyện khá lớn, và nghe cũng hợp lý
Khá hay. Về cơ bản, nó chuyển chênh lệch nhiệt động lực học cần cho chu trình ngưng tụ-bay hơi từ điều tiết khí hậu sang điều tiết vật liệu
Sau này nếu có thể lập trình kích thước lỗ rỗng thì sao? Có thể thay đổi cân bằng vào/ra của kho chứa khi cần. Có thể hình dung quần áo thông minh: khi nóng thì mở rộng lỗ rỗng để thải nước ra, khi lạnh thì thu nhỏ lỗ rỗng để nước bay hơi ít hơn
Tuy vậy, cụm “vi phạm vật lý” trong bài viết vẫn gây khó chịu
Liên quan đến chủ đề này, có thể tham khảo https://en.wikipedia.org/wiki/Air_well_(condenser), https://en.wikipedia.org/wiki/Fog_collection, https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_water_generator
Cơ chế của vật liệu mới hoàn toàn khác. Có vẻ không cần không khí phải bão hòa
Đã có những vật liệu loại bỏ nước khỏi không khí. Trong những trường hợp đó, nước vẫn ở trạng thái được hấp thụ. Vật liệu này trông cũng giống nguyên lý đó, nhưng khác biệt thật sự là nước không tiếp tục nằm lại ở trạng thái hấp thụ
Dù đây không phải Reddit, nhưng vẫn vậy
https://en.wikipedia.org/wiki/Dune_(novel)
Cần hiểu rằng năng lượng tối thiểu cần để tách nước khỏi không khí lớn hơn rất nhiều so với năng lượng tối thiểu cần để tách nước khỏi nước muối
Vì thực tế vật lý này, khử mặn luôn buộc phải hiệu quả hơn thu hoạch nước trong khí quyển
Nếu có một thiết bị không cần bổ sung vật tư tiêu hao thì nghe khá thú vị. Có lẽ nhiều nơi sẽ hưởng lợi ở điểm có thể dùng điện nhưng không cần đưa thêm vật liệu khác vào
Nếu có điện, có thể thu nước từ không khí ở bất cứ đâu. Khử mặn thường phải vận chuyển nước làm ra từ ven biển đến nơi cần dùng
Tôi hoàn toàn không biết liệu chi phí vận chuyển có thể lớn đến mức khiến thu hoạch nước trở nên hiệu quả hơn hay không
Xét từ góc độ cân bằng năng lượng và so sánh với các công nghệ khác, điều này có nghĩa là vì quá trình hấp thụ và ngưng tụ diễn ra thụ động bên trong cùng một vật liệu nên không cần đưa năng lượng vào.
Nhiệt thu được từ quá trình hấp thụ sẽ thoát ra ở bước ngưng tụ tiếp theo. Vì vậy, tác động của phát hiện này nằm ở chỗ điều hòa không khí, máy hút ẩm, hoặc moisture vaporator ở sườn núi phía nam sẽ không còn cần điện nữa.
Tôi vẫn thường thử nghiệm AI, và đây là một chủ đề thú vị để xem mô hình nghĩ thế nào về một công nghệ mà có lẽ nó chưa được huấn luyện. Grok đã xem xét quy trình kỹ hơn tôi (B.S.ChemE).
https://grok.com/share/bGVnYWN5_e80e8100-3682-4157-879e-c5ca...
Tôi từng làm một thứ tương tự ở giữa Mojave bằng đá carbonate, than củi và một ống kim loại gấp nếp lớn.
Nó tạo ra khoảng 3 gallon nước trong một đêm.
34.997387, -116.380048
Bạn sẽ thấy một cái ống lớn nhô ra. Có một khách sạn cho thợ mỏ được xây ở đó.