Адсорбция паров воды на металл-органических координационных полимерах: равновесие, механизм, применение в системах экстракции пресной воды из атмосферы. Этап 3 (заключительный)

Данный проект направлен на а) изучение механизмов адсорбционного взаимодействия паров воды с Металл-Органическими Координационными Полимерами (МОК) и выявление взаимосвязей «структура – адсорбционное равновесие»; и б) выбор и исследование МОКП для адсорбционного извлечения питьевой воды из атмосферы в условиях засушливого климата. В рамках первой задачи: • Осуществлено комплексное исследование адсорбции паров воды на CAU-10-X (X = H, NO2, NH2) методами термогравиметрии, ИК-спектроскопии, 1Н ЯМР релаксометрии, РФА – in situ, низкотемператрной адсорбции азота. Показано, что данные МОК характеризуются различными типами адсорбционного равновесия с парами воды. Выявлены первичные адсорбционные центры и предложены механизмы адсорбционного взаимодействия, приводящие к различным типам изотерм адсорбции. Методом математического моделирования Монте Карло выявлена роль гибкости каркаса и структурных дефектов CAU-10-H на адсорбционное равновесие с водой. • Осуществлено исследование структуры и динамики органического линкера, а также динамики адсорбированной воды в МОК NH2-MIL-125 методами 13С ЯМР и 1Н ЯМР релаксометрии. Выявлены первичные адсорбционные центры, показано, что адсорбция молекул воды приводит к ускорению динамики линкера. Установлено, что молекулы адсорбированной воды могут находится в 2 состояниях: связанном с поверхностными центрами и «свободном». Выявлены 3 типа динамических процессов адсорбированной воды: перескоки между предпочтительными центрами связывания, локальные переориентации связанной воды, а также быстрые переориентации свободных молекул воды. В рамках второй задачи: • На основе термодинамического анализа процесса и анализа климатических данных для засушливых регионов сформулированы качественные и количественные требования к адсорбенту для извлечения воды из воздуха. Проведен отбор перспективных МОКП (MIL-101(Cr), Co2Cl2-BTDD, MIL-100(Fe), MIL-101(Cr)-SO3H) для извлечения воды из атмосферы для регионов с умеренно влажным климатом. Для сухого климата могут быть рекомендованы MIL-160, CAU-10(pydc) и MIP-200. • Осуществлен синтез MIL-160 в качестве адсорбента для извлечения воды из атмосферы и изучено адсорбционное равновесие паров воды на нем. Показано, что MIL-160 обменивает 0,31–0,33 㬬/г за цикл в условиях экстремально сухого климата. Высокие степени извлечения (0,90–0,98) и конденсации воды (0,48–0,97) могут быть достигнуты при температуре регенерации 80°C. Удельное энергопотреблениие на производство воды варьируется от 3,5 до 6,8 кДж/г. • Для увеличения эффективности извлечения воды в условиях засушливых регионов были предложены сорбенты на основе MIL-101(Cr), модифицированного гигроскопичными солями. Показано, что композит CaCl2/MIL-101(Cr) обменивает 0,52-0,70 гH2O/г_композита в условиях экстремально засушливого климата и позволяет получить высокие степени извлечения (0,95-0,98) и конденсации воды (0,61-0,97) при температуре регенерации 80-100°C. Оценено удельное потребление энергии на производство воды 2,9 - 4,4 кДж/г_H2O, что вполне приемлемо при использовании в качестве источника солнечной тепловой энергии. Осуществимость процесса АИВА с применением композита CaCl2/MIL-101 продемонстрирована на лабораторном уровне. Таким образом, на основе фундаментального исследования адсорбции воды на МОКП и термодинамического анализа адсорбционного извлечения воды из атмосферы предложены эффективные материалы для этого процесса и продемонстрирована его осуществимость на лабораторном уровне.