Поглотитель воды из воздуха испытали в пустынном климате
Инженеры испытали в засушливых условиях штата Аризона устройство на основе металл-органического каркаса, которое может поглощать воду из воздуха, используя для этого только энергию солнечного света. Эксперименты показали, что установка может собирать 250 миллилитров воды на килограмм активного материала за сутки, сообщается в журнале Nature Communications.
Многие регионы мира страдают от постоянного недостатка питьевой воды или же сезонных засух. Из-за этого их жителям приходится завозить воду из других регионов или получать на месте, очищая воду с помощью дорогих и энергозатратных фильтрующих установок. В качестве альтернативы этому инженеры предлагают собирать воду из атмосферы, например, с помощью вымораживания воздуха. Но такие системы требуют большого уровня влажности воздуха или больших энергозатрат на поглощение воды из сухого воздуха.
В 2017 году инженеры из Массачусетского технологического института под руководством Эвелин Ванг (Evelyn Wang) создали устройство, которое может поглощать влагу из воздуха даже в засушливом климате и использовать в качестве единственного источника энергии тепло от солнца.
Теперь они испытали устройство в климате, для которого оно и предназначено — в засушливой пустынной местности штата Аризона.
Поглотитель влаги устроен достаточно просто и в нем нет ни одной механической части. Он представляет собой камеру, в верхней части которого расположена адсорбирующая пластина. Это высокопористый лист меди, на внутренние структуры которой осажден металл-органический каркас MOF-801. Исследователи выбрали это соединение из-за его высокой способности к поглощению воды. Верхняя часть этой пористой пластины покрашена в черный цвет для максимально эффективного нагревания солнечными лучами. Для того, чтобы это тепло не рассеивалось, она накрыта слоем прозрачного теплоизолирующего аэрогеля, который пропускает солнечные лучи к пластине, но не пропускает тепло от нее. На нижней части камеры установлен конденсатор, тепло от которого отводится тепловыми трубками.
Устройство работает в течение одного цикла ночь-день, и его работа состоит из двух этапов. Вечером нужно открыть боковую стенку камеры и снять слой аэрогеля.
За счет этого ночью воздух будет проходить через пористый поглотитель и насыщать его влагой. После этого камера закрывается и слой аэрогеля возвращается на место для дневного режима работы. На этом этапе солнце нагревает поглотитель, вода в котором испаряется и конденсируется на охлаждаемой нижней части камеры. После этого эту воду нужно собрать и использовать устройство для нового цикла сбора.
Стоит отметить, что в прототипе устройства содержалось всего около трех граммов поглощающего металл-органического каркаса. На основе полученных в ходе эксперимента данных авторы рассчитали, как будет работать более крупное устройство. В таких же условиях, как во время испытаний в Аризоне (относительная влажность около 30 процентов и ночная температура 15-25 градусов Цельсия) устройство должно вырабатывать 250 миллилитров воды на килограмм металл-органического каркаса за один цикл работы.
Также исследователи проверили безопасность поглощаемой воды. Они изучили образцы полученной воды на масс-спектрометре и нашли в них только ионы циркония, входящего в состав металл-органического каркаса, но их содержание было меньше, чем одна частица на миллиард.
Ранее китайские ученые создали на основе оксида графена устройство, которое также работает на солнечной энергии, но не для сбора воды из воздуха, а для опреснения морской воды. С его помощью они смогли снизить соленость такой воды до уровня ниже, чем стандарт, принятый для питьевой воды.
Григорий Копиев
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Классификация процессов
Гигроскопичность веществ – способность веществ (твердых или жидких) к поглощению (сорбции) паров воды из атмосферного воздуха при комнатных условиях. Движущей силой гигроскопического процесса является разность относительных влажностей в атмосферном воздухе и над веществом, эта разность определяет скорость сорбции. Сорбция наблюдается, когда относительная влажность в атмосфере выше, чем над веществом, если наоборот, то будет происходить десорбция (подсушивание). При достаточно длительном контакте вещества с воздухом определенной влажности и температуры эти давления сближаются, и устанавливается равновесие.
Равновесное давление паров воды над веществом с определенным влагосодержанием, выраженное в процентах относительной влажности воздуха называется гигроскопической точкой вещества. Взаимосвязь равновесного содержания воды в веществе от равновесной относительной влажности воздуха определяет изотерму сорбции паров воды веществом.
В широком смысле «гигроскопичность» [hygroscopicity] — это любое поглощение паров воды из воздуха любым веществом. Механизмы поглощения паров воды могут быть различными: адсорбция (сорбция только поверхностью вещества), абсорбция (сорбция всем объемом вещества), хемосорбция (сорбция за счет химической реакции с веществом) и капиллярная конденсация (сорбция в мелких порах веществ). Многие вещества (материалы) поглощает влагу из воздуха по нескольким механизмам сорбции, в частности, если они содержат примеси, присадки, добавки. В узком смысле «гигроскопичность» [deliquescence] — это поглощение паров воды из воздуха твердым веществом с видимым увлажнением, вплоть до полной растворимости (расплываемости) твердого вещества в поглощенных парах воды, абсорбция паров с частичным или полным растворением вещества в поглощаемой влаге.
Кроме того, влага из воздуха может просто конденсироваться на веществе, предмете, если его температура ниже, чем температура точки росы окружающего влажного воздуха, но эта конденсация не относится к гигроскопичности.
Адсорбция паров воды – сорбция паров воды поверхностью вещества. Молекулы воды притягиваются и удерживаются за счет сил Ван-дер-Ваальса, сил, которые зависят от природы поверхности, это физическая адсорбция. Физическая адсорбция наблюдается всегда на поверхности твердого тела, равновесие между концентрацией адсорбированных молекул воды на поверхности и давлением паров воды в воздухе устанавливается практически мгновенно (до 1 сек) и поддерживается неопределенно долго, если не меняются внешние условия. Адсорбция паров воды веществом характеризуется изотермой адсорбции – зависимостью между влагосодержанием вещества и равновесной относительной влажностью окружающего воздуха при определенной температуре. Величина адсорбции для кристаллических дисперсных (более 0,01 мм) чистых веществ (кварцевый песок, хлорид натрия, сахар) не превышает чувствительности взвешивания на весах (менее 0,01%), то есть практически незаметна и никак не используется.
Абсорбция паров воды — сорбция паров воды всем объемом вещества, материала. Абсорбция паров воды разными веществами имеет свою специфику.
Абсорбция водными растворами происходит, если относительная влажность в окружающем воздухе выше, чем равновесная относительная влажность над конкретным раствором этого вещества при той же температуре.
Равновесная относительная влажность воздуха над раствором зависит от концентрации растворенных веществ (соотношения веществ, если их несколько) и температуры. При относительной влажности в воздухе близкой к 100% величина абсорбируемой влаги стремится к бесконечности. При относительной влажности окружающего воздуха ниже, чем равновесная относительная влажность над конкретным раствором, влага из раствора десорбируется, при этом возможны следующие варианты:
- а. Если растворенное вещество твердое, то раствор будет концентрироваться до образования насыщенного раствора (могут образовываться пересыщенные растворы), из которого, при дальнейшей десорбции воды, будет кристаллизоваться вещество до полного высыхания раствора.
б. Если растворенное вещество было жидкостью (неограниченно смешивающаяся с водой), то при относительной влажности воздуха, близкой к 0 %, при десорбции паров воды из раствора образуется безводная, осушенная жидкость.
в. Если растворенное вещество было жидкостью, ограниченно смешивающаяся с водой, и раствор являлся водной фазой, то при десорбции воды образуется неводная фаза раствора воды в веществе.
г. Если растворенное вещество было жидкостью, ограниченно смешивающейся с водой, и раствор являлся неводной фазой, то при относительной влажности воздуха, близкой к 0 %, при десорбции воды образуется безводная, осушенная жидкость.
Абсорбция паров воды растворимыми твердыми кристаллическими веществами (хлорид натрия, аммиачная селитра, сахароза), образующих насыщенные растворы, ведет к растворению кристаллов в абсорбируемой влаге. Однако это может происходить только при относительной влажности воздуха выше гигроскопической точки вещества, которая равна равновесной относительной влажности воздуха над насыщенным раствором вещества. В начальный момент абсорбции образуется насыщенный раствор, находящийся на поверхности кристаллов в виде микрокапель, затем в виде пленки насыщенного раствора на поверхности твердого вещества, при дальнейшей абсорбции увеличивающиеся количество жидкости, образует суспензию из насыщенного раствора и кристаллов, при продолжающейся абсорбции паров воды вещество полностью растворяется в абсорбируемой воде, образуя разбавленный раствор вещества.
Абсорбция паров воды полимерами существенно различается, т.к. сами полимеры различны по физико-химическим свойствам. Скорость абсорбции паров воды объемом полимера значительно медленнее, чем объемом раствора. Отличительной чертой абсорбции паров полимерами является набухание полимера и связанное с этим изменения свойств полимеров.
Абсорбция паров воды растворимыми твердыми аморфными веществами начинается с низких относительных влажностей воздуха, поглощенная влага может снизить температуру стеклования аморфного вещества и привести к кристаллизации вещества, у которого будет уже другая изотерма сорбции.
Абсорбция паров воды некоторыми растворимыми органическими кристаллическими твердыми веществами (в течение нескольких месяцев при относительной влажности воздуха выше гигроскопической точки чистого вещества) вызывает их трансформацию в жидкокристаллическую фазу этого вещества с другими гигроскопическими свойствами.
Абсорбция паров воды неводными растворами может сопровождаться химическими реакциями.
Абсорбция паров воды веществами, могущими образовывать кристаллогидраты, следует рассматривать как хемосорбцию с определенными ограничениями.
Хемосорбция – сорбция паров воды из окружающего влажного воздуха при комнатных условиях за счет химической реакции. Пары воды при комнатных условиях могут реагировать со многими веществами, образуя новые вещества, такие химические реакции могут быть теоретически обратимыми (с безводным хлоридом кальция, оксидом кальция) или необратимыми (с натрием, гидридом кальция, пятиокисью фосфора). Возможность хемосорбции может зависеть от дисперсности вещества, например, алюминий: монолитный алюминий не будет реагировать, порошок алюминия будет частично, а нанопорошок полностью прореагирует. Для некоторых веществ химическая реакция с парами воды может затормозиться на поверхности только на время, а затем, после некоторого индукционного периода, весь объем вещества прореагирует полностью.
Хемосорбция паров воды из воздуха веществом приводит к образованию нового вещества, для которого вторичные процессы сорбции паров воды могут проходить по другим механизмам сорбции: вторичной хемосорбции, адсорбции, абсорбции, капиллярной конденсации. Новое вещество будет обладать своими гигроскопическими свойствами, например, быть негигроскопичным.
Капиллярная конденсация – сорбция паров воды в порах, капиллярах, микротрещинах пористых твердых тел, она характерна для природных и технических материалов и продуктов, а не для чистых веществ. Капиллярная конденсация определяется понижением давления конденсации паров воды над вогнутой поверхностью воды в капилляре. Капиллярной конденсации предшествует адсорбция паров воды с образованием плёнки жидкости на гидрофильной поверхности капилляра.
Как влагопоглощение связано со стабильностью обработанного полимера
Большинство полимеров имеют естественную тенденцию поглощать воду. На самом деле, некоторые сверхабсорбирующие полимеры пользуются большим спросом в передовых областях применения в медицине, строительстве и т. д. Тем не менее, поглощение влаги термопластами приводит к изменениям в отношении обработки и свойств.
Для машинистов и конструкторов крайне важно понимать влагопоглощение термопластов для обработки на станках с ЧПУ. На этапе проектирования это не только помогает при первоначальном выборе материала, но и играет роль в прогнозировании срока службы детали. В AIP мы уделяем большое внимание обеспечению непревзойденных результатов, чтобы обеспечить оптимальные размеры и свойства обработанных полимеров и композитов.
Присоединяйтесь к нам в этом техническом обзоре, поскольку мы даем подробное объяснение эффектов поглощения влаги для обработанных полимеров.
Обработка пластмасс и важность водопоглощения
Влаго/водопоглощение – это способность пластика или полимера поглощать влагу из окружающей среды. Поглощенная влага иногда действует как пластификатор, снижая температуру стеклования и прочность пластика (это обратимый побочный эффект). Однако поглощенная вода также может привести к необратимому разрушению структуры полимера.
Некоторые эффекты включают:
- Изменение размеров и массы (набухание), вызванное поглощением воды
- Экстракция водорастворимых компонентов
- Изменения механических (упругость, прочность на растяжение, ударная вязкость) и электрических характеристик
Водопоглощение выражается в увеличении веса в процентах или % увеличения веса пластикового образца при следующих процедурах испытаний:
- Водопоглощение в течение 24 часов при 23°C – Погружение образца пластика в дистиллированную воду в течение 24 часов при 23°C
- Водопоглощение в течение 24 часов при 100°C – Погружение пластикового образца в дистиллированную кипящую воду на 24 часа Водопоглощение при насыщении – Погружение пластикового образца в дистиллированную воду при 23°C. Измерение происходит, когда полимер больше не поглощает воду
- Водопоглощение при равновесии — Пластмассовый образец подвергается воздействию влажной среды — обычно при относительной влажности 50 % — при заданной температуре — 23 °C или 73,4 °F — в течение 24 часов
Измерение происходит, когда полимер больше не поглощает воду
(Источник: Omnexus)
Воздействие влаги, погружения в воду и кипящей воды может привести к различным реакциям материала. Равновесное содержание влаги можно использовать для сравнения количества воды, поглощаемой различными типами пластмасс при воздействии на них влаги.
Переработка и свойства пластмасс
Полимеры подвержены влиянию влаги из окружающей среды или просто лежат на полке в ожидании использования. Это не является большой проблемой, но когда поглощение влаги достигает более 1% или 2%+, это может привести к достаточному пространственному перемещению, чтобы вызвать проблемы.
Влагопоглощение Воздействие:
- Механические свойства
- Свойства износа
- Размеры
Например, детали из TORLON (PAI) требуют особого внимания из-за влажности 1,7% при значении насыщения. Хотя это число может показаться не таким уж большим, его достаточно, чтобы прецизионно обработанная деталь TORLON превышала допуск; в этом случае деталь нельзя использовать.
Поэтому важно правильно упаковать эти критически важные полимеры для обеспечения длительного срока годности и функциональности. Этого можно добиться двумя способами: 1) вакуумировать их во влагонепроницаемом слое или 2) упаковать их в пакеты с влагопоглотителем. Это предотвращает поглощение влаги во влажной среде.
Испытания для измерения водопоглощения пластмасс
Источник
ASTM D570 – Стандартный метод испытаний на водопоглощение пластмасс
Этот метод испытания скорости водопоглощения имеет две основные функции:
- Определение доли воды, поглощаемой материалом и, следовательно, в тех случаях, когда взаимосвязь между влажностью и электрическими или механическими свойствами, размеры , или внешний вид были определены в качестве руководства по влиянию воздействия воды или влажных условий на такие свойства.
- Контрольный тест на однородность продукта. Это особенно применимо к листовым, стержневым и трубчатым рычагам, когда испытание проводится на готовом изделии.
Процедура : Детали сушат в печи в течение определенного времени и температуры, а затем помещают в эксикатор для охлаждения. После охлаждения образцы взвешивают, чтобы установить точку отсчета. Затем материал погружают в воду при стандартных условиях (обычно 23°C на 24 часа или до достижения равновесия). Образцы извлекают из жидкости, сушат и взвешивают.
Что влияет на водопоглощение?
- Тип пластика
- Морфология (кристаллическая, аморфная…)
- Тип и доля используемых добавок, наполнителей и армирующих материалов
- Фракция и ориентация волокон (в композитах)
- Относительная влажность и температура
- Продолжительность экспозиции
Показатели водопоглощения для обычных полимеров
| Название полимера | Минимальное значение (% веса) | Максимальное значение (% веса) |
| АБС – акрилонитрилбутадиенстирол | 0,05 | 1,80 |
| ПА – нейлон полиамид , 66 30% стекловолокно | 0,80 | 1,10 |
| ПАИ – полиамид-имиды (ТОРЛОН) | 0,10 | 0,30 |
| ПБИ – Полибензимидазол (ЦЕЛАЗОЛ) | 0,4 | 5 |
| ПК – Поликарбонат , высокотемпературный | 0,10 | 0,20 |
| ПЭ – полиэтилен , 30 % стекловолокна | 0,02 | 0,06 |
| PEEK – Полиэфирэфиркетон | 0,10 | 0,50 |
| ПЭИ – полиэфиримид (ULTEM) | 0,20 | 0,30 |
| ПП – Полипропилен | 0,01 | 0,10 |
| PS – Полистирол, высокотемпературный | 0,01 | 0,07 |
| Блок питания – полисульфон | 0,20 | 0,80 |
| ПТФЭ – Политетрафторэтилен | 0,005 | 0,015 |
| ПВХ – поливинилхлорид, жесткий | 0,04 | 0,40 |
| ПВДФ – поливинилиденфторид (KYNAR) | 0,03 | 0,05 |
Как видно из диаграммы, некоторые полимеры, такие как нейлон (ПА), имеют более высокий процент увеличения поглощения влаги.
Тем не менее, такие полимеры, как PVDF и PTFE, после испытания ASTM D570 имеют очень низкий % увеличения массы, что делает их отличными кандидатами для применений, в которых влажность является важным фактором.
Высококачественные термопласты часто подвергаются воздействию высоких температур (авиационные двигатели), которые также поглощают большое количество влаги. Это характерно для таких материалов, как PBI (целазол) и PAI (торлон), поскольку эти полимеры поглощают влагу с высокой скоростью, но также предназначены для применения при высоких температурах.
По сути, эти материалы могут впитывать влагу, если их неправильно хранить и упаковывать. Затем, если вы подвергаетесь воздействию высоких уровней тепла без времени для рассеивания влаги, внутренняя влага закипает и превращается в пар, вызывая растрескивание деталей и образование пузырей.
Управление влагопоглощением
Для предсказуемой подгонки и производительности обработанных деталей заготовки и готовые детали следует хранить в сухом месте.
Как готовые детали, так и заготовки должны быть упакованы во влагонепроницаемую упаковку. Открывайте упаковку только непосредственно перед использованием. В случае, если деталь может впитать так много влаги, что существует риск удара током при помещении ее в высокотемпературную или вакуумную среду, рассмотрите возможность просушки материала перед использованием или повторным использованием.
На вашем обрабатывающем предприятии должны быть спецификации по температуре и процедурам хранения для всех полимеров, заготовок и компонентов. Когда дело доходит до критически важных приложений, работайте с механическим цехом, который придерживается высоких стандартов хранения продуктов. В конце концов, механическая обработка полимера — это только часть всего процесса; потраченная впустую механическая обработка, выручка и детали не стоят того, чтобы рисковать плохими условиями хранения. В приведенной ниже таблице показаны некоторые распространенные виды упаковки полимеров для увеличения и сохранения срока годности.
Как правило, значения влагопоглощения полимера за 24 часа и насыщения можно найти на диаграмме данных. Диаграмма может дать общее представление о поглощении влаги, но полный набор данных с кривой материала — лучший способ определить, какой материал подходит для вашего проекта. Обязательно работайте с компанией по обработке пластмасс, которая может предоставить вам широкий спектр данных о влагопоглощении полимеров и композитов. Ваш механик сможет определить, как влажность и влажность повлияют на дизайн и функциональность вашего проекта. Поговорите с одним из наших инженеров в AIP о дизайне вашего проекта, и мы будем работать с вами, чтобы предоставить непревзойденный опыт от первоначальной концепции вашего проекта до завершения.
Вспомогательные материалы
Сертификаты и нормативные ресурсы
Хотите узнать больше о факторах, которые способствуют эффективной обработке с ЧПУ?
Водопоглощение за 24 часа — (ASTM D570) Испытание пластмасс
Абсорбционные свойства полимеров
Некоторые полимеры имеют естественную тенденцию поглощать воду.
Действительно, сверхабсорбирующие полимеры набирают обороты в передовом применении в медицине, строительстве и т. д., однако в то же время абсорбционная способность термопластов приводит к нескольким изменяет обработку и свойства .
Влаго/водопоглощение — это способность пластика или полимера поглощать влагу из окружающей среды. Было показано, что поглощенная влага действует как пластификатор, уменьшая температура стеклования и прочность пластика – это обратимый эффект. Однако поглощенная вода также может привести к необратимому разрушению структуры полимера.
Некоторые из известных эффектов включают:
- Изменения размеров и массы (например, набухание), вызванные поглощением воды
- Экстракция водорастворимых компонентов
- Изменения механических (упругость, прочность на растяжение, ударная вязкость) и электрических характеристик
Водопоглощение выражается как увеличение массы в процентах или % прибавки массы пластикового образца при следующих процедурах испытаний:
- Водопоглощение 24 часа при 23°C — Погружение образца пластмассы в дистиллированную воду на 24 часа при температуре 23°C
- Водопоглощение в течение 24 часов при 100°C — Погружение пластикового образца в дистиллированную кипящую воду на 24 часа Водопоглощение при насыщении — Погружение пластикового образца в дистиллированную воду при 23°C. Измерение происходит, когда полимер больше не поглощает воду
- Водопоглощение при равновесии — Пластмассовый образец подвергается воздействию влажной среды — обычно при относительной влажности 50% — при определенной температуре — 23°C или 73,4°F — в течение 24 часов
Измерение происходит, когда полимер больше не поглощает водуВоздействие влаги, погружение в воду и воздействие кипящей воды могут привести к совершенно разным реакциям материалов. Равновесное содержание влаги можно использовать для сравнения количества воды, поглощаемой различными типами пластмасс при воздействии на них влаги.
Просмотреть все марки полимеров с водопоглощающей способностью от низкой до нулевой, доступные в базе данных Omnexus Plastics
Узнайте больше о влагопоглощении:
» Значение водопоглощения при переработке полимеров
» Как измерить водопоглощение пластмасс?
» Факторы, влияющие на водопоглощение
» Значения водопоглощения некоторых пластиков
Важность водопоглощения – обработка и свойства пластмасс
Данные по водопоглощению важны для понимания характеристик полимерных материалов во время обработки, т.
е. литье под давлением, а также в воде или влажной среде, чтобы избежать преждевременных отказов, связанных с влажностью.
Явление абсорбции особенно вредно для пластмассовых изделий. Влажный материал также более проницаем для газов. Например, для влажного ПА6 СО 2 проницаемость в три раза больше, чем для высушенного ПА6.
- Наличие влаги в структуре материала также влияет на теплоизоляционные и диэлектрические свойства
- Поглощение и наличие влаги в структуре полимера является одним из факторов, вызывающих старение материала
- Полиолефины, такие как PE , PP и полибутилен, не содержат химических связей, которые легко гидролизуются. Следовательно, они поглощают мало воды и практически не подвержены старению в воде .
- Присутствие чрезмерной влаги снижает вязкость пластика, что является причиной многих проблем при обработке
- Влага в материале также влияет на внешний вид детали
Например, если в процессе литья под давлением используется влажная грануляция, то на стадии пластификации реакция происходит в воде.
Гидролиз приводит к структурным изменениям материала (разложению) и в результате к ухудшению механических свойств, в частности ударной вязкости и стойкости.
- Использование влажных гранул ПММА для инъекций приводит к состарившимся деталям с плохим качеством поверхности, а инъекция ПОМ также приводит к образованию налета на форме.
- В случае PET и PBT материалы могут привести к образованию молекул с более короткой цепью, присутствующих при гидролитическом разложении. Это приводит к значительному ухудшению механических свойств материала.
- Присутствие влаги ухудшает ударную вязкость и механическую прочность в полиамиды .
Легко избегайте сбоев в работе вашей производственной линии литья под давлением или экструзии
Смотрите бесплатное видео сегодня!
Водопоглощение в композитах более сложное, чем в одних только полимерах.
В случае термопластичных композитов степень поглощения воды полимерной матрицей зависит от химического состава и морфологии полимера, а также от объемной доли и конфигурации присутствующих волокон и от того, происходит ли какое-либо затекание на границе раздела.
Как измерить водопоглощение пластмасс?
Наиболее широко используемыми стандартами для измерения водопоглощения в пластмассах являются ASTM D570 и ISO 62 (, конечно, существует несколько других методов, но они здесь не обсуждаются )
ASTM D570 — Стандартный метод испытаний на водопоглощение пластмасс
Этот метод испытаний на скорость водопоглощения имеет две основные функции:
- Во-первых, в качестве ориентира для определения доли воды, поглощаемой материалом, и, следовательно, в тех случаях, когда взаимосвязь между влажностью и электрическими или механическими свойствами, размерами или внешний вид был определен как руководство к влиянию воздействия воды или влажных условий на такие свойства; и
- Во-вторых, в качестве контрольного теста на однородность продукта.
