Os engenheiros do MIT sintetizaram um material superabsorvente que pode absorver uma quantidade recorde de umidade do ar, mesmo em condições desérticas.

Como o material absorve o vapor d'água, ele pode inchar para abrir espaço para mais umidade. Mesmo em condições muito secas, com 30% de umidade relativa, o material pode extrair vapor do ar e reter a umidade sem vazar. A água poderia então ser aquecida e condensada, então coletada como água ultrapura.

O material transparente e emborrachado é feito de hidrogel, um material naturalmente absorvente que também é usado em fraldas descartáveis. A equipe aumentou a absorção do hidrogel infundindo-o com cloreto de lítio – um tipo de sal conhecido por ser um poderoso dessecante.

Os pesquisadores descobriram que poderiam infundir o hidrogel com mais sal do que era possível em estudos anteriores. Como resultado, eles observaram que o gel carregado com sal absorveu e reteve uma quantidade sem precedentes de umidade, em uma variedade de níveis de umidade, incluindo condições muito secas que limitaram outros projetos de materiais.

Se puder ser feito rapidamente e em larga escala, o gel superabsorvente poderá ser usado como um coletor passivo de água, particularmente no deserto e nas regiões propensas à seca, onde o material pode absorver continuamente o vapor, que pode então ser condensado em água potável. . Os pesquisadores também preveem que o material possa ser colocado em aparelhos de ar condicionado como um elemento desumidificador que economiza energia.

“Fomos agnósticos em relação à aplicação, no sentido de que nos concentramos principalmente nas propriedades fundamentais do material”, diz Carlos Díaz-Marin, aluno de pós-graduação em engenharia mecânica e membro do Laboratório de Pesquisa de Dispositivos do MIT. “Mas agora estamos explorando problemas amplamente diferentes, como tornar o ar condicionado mais eficiente e como você pode coletar água. Este material, devido ao seu baixo custo e alto desempenho, tem muito potencial.”

Díaz-Marin e seus colegas publicaram seus resultados em um artigo publicado hoje na Advanced Materials . Os coautores do estudo do MIT são Gustav Graeber, Leon Gaugler, Yang Zhong, Bachir El Fil, Xinyue Liu e Evelyn Wang.

No Laboratório de Pesquisa de Dispositivos do MIT, os pesquisadores estão projetando novos materiais para resolver os desafios mundiais de energia e água. Ao procurar materiais que possam ajudar a coletar água do ar, a equipe se concentrou nos hidrogéis – géis elásticos e escorregadios feitos principalmente de água e um pouco de polímero reticulado. Os hidrogéis são usados ??há anos como material absorvente em fraldas porque podem inchar e absorver uma grande quantidade de água quando entra em contato com o material.

“Nossa pergunta era: como podemos fazer isso funcionar tão bem para absorver o vapor do ar?” Diz Díaz-Marin.

Ele e seus colegas vasculharam a literatura e descobriram que outros haviam experimentado misturar hidrogéis com vários sais. Certos sais, como o sal-gema usado para derreter o gelo, são muito eficientes na absorção de umidade, incluindo vapor d'água. E o melhor deles é o cloreto de lítio, um sal capaz de absorver mais de 10 vezes sua própria massa em umidade. Deixado sozinho em uma pilha, o cloreto de lítio poderia atrair o vapor do ar, embora a umidade apenas se acumulasse ao redor do sal, sem meios de reter a água absorvida.

Assim, os pesquisadores tentaram infundir o sal no hidrogel – produzindo um material que pode reter a umidade e inchar para acomodar mais água.

“É o melhor dos dois mundos”, diz Graeber, que agora é pesquisador principal da Universidade Humboldt em Berlim. “O hidrogel pode armazenar muita água e o sal pode capturar muito vapor. Portanto, é intuitivo que você queira combinar os dois.”

Mas a equipe do MIT descobriu que outros atingiram um limite para a quantidade de sal que podiam carregar em seus géis. As amostras de melhor desempenho até o momento foram hidrogéis infundidos com 4 a 6 gramas de sal por grama de polímero. Essas amostras absorveram cerca de 1,5 gramas de vapor por grama de material em condições secas de 30% de umidade relativa.

Na maioria dos estudos, os pesquisadores já haviam sintetizado amostras mergulhando hidrogéis em água salgada e esperando que o sal se infundisse nos géis. A maioria dos experimentos terminou após 24 a 48 horas, pois os pesquisadores descobriram que o processo era muito lento e não havia muito sal nos géis. Quando testaram a capacidade do material resultante de absorver vapor d'água, as amostras absorveram muito pouco, pois continham pouco sal para absorver a umidade em primeiro lugar.

O que aconteceria se a síntese do material pudesse continuar, digamos, por dias e até semanas? Um hidrogel poderia absorver ainda mais sal, se tivesse tempo suficiente? Para obter uma resposta, a equipe do MIT realizou experimentos com poliacrilamida (um hidrogel comum) e cloreto de lítio (um sal superabsorvente). Depois de sintetizar tubos de hidrogel por meio de métodos de mistura padrão, os pesquisadores cortaram os tubos em discos finos e colocaram cada disco em uma solução de cloreto de lítio com uma concentração de sal diferente. Eles tiraram os discos da solução todos os dias para pesá-los e determinar a quantidade de sal que havia infundido nos géis, depois os devolveram às suas soluções.

No final, eles descobriram que, de fato, com mais tempo, os hidrogéis absorviam mais sal. Após imersão em solução salina por 30 dias, os hidrogéis incorporaram até 24, contra o recorde anterior de 6 gramas de sal por grama de polímero.

A equipe então colocou várias amostras dos géis carregados de sal em testes de absorção em uma variedade de condições de umidade. Eles descobriram que as amostras podiam inchar e absorver mais umidade em todos os níveis de umidade, sem vazar. Mais notavelmente, a equipe relata que em condições muito secas de 30% de umidade relativa, os géis capturaram um “recorde” de 1,79 gramas de água por grama de material.

“Qualquer deserto durante a noite teria aquela baixa umidade relativa, então é possível que esse material pudesse gerar água no deserto”, diz Díaz-Marin, que agora está procurando maneiras de acelerar as propriedades superabsorventes do material.

“A grande e inesperada surpresa foi que, com uma abordagem tão simples, conseguimos obter a maior absorção de vapor relatada até o momento”, diz Graeber. “Agora, o foco principal será a cinética e a rapidez com que podemos fazer com que o material absorva água. Isso permitirá que você recicle esse material muito rapidamente, de modo que, em vez de recuperar a água uma vez por dia, você poderá coletar água talvez 24 vezes ao dia.”

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável dos EUA e pela Swiss National Science Foundation.