JP7249361B2 - 大気水分捕集器 - Google Patents
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Description
本出願は、パリ条約の下、2018年2月5日に出願された米国仮特許出願62/626,675号に基づく優先権を主張するものであり、該出願は参照によりその全体が本明細書に記載されたものとして援用される。
太陽エネルギーの利用により大気水分を捕捉および遊離する活性化合物を含む水分吸着ユニットと、
該水分吸着ユニットと凝縮器との間で気流の循環が起こるように構成された気流路を含む水分捕集筐体と、
エネルギー投入を伴って、またはエネルギー投入を伴わずに、水分から液体水を生成する凝縮器と、
該凝縮器から液体水を回収する水回収システムと
を含む。
前記活性化合物を保持すること;
前記活性化合物への太陽放射による伝熱を促進すること;
水分の捕捉および遊離が行われる、前記活性化合物の接触面を増大させること;
前記活性化合物に物質移動および伝熱のための空間を提供すること;ならびに
充填された様々な活性化合物を拘束できること
のうち1つ、2つ、3つ、4つまたは5つの機能を有するように構成されている。
前記活性化合物受け皿の構造を支持し、かつ/または
太陽光からの赤外線が断熱区画に照射されるのを防止するように構成されている。
前記活性化合物受け皿および前記支持壁の構造安定性を高めること;
前記活性化合物受け皿と前記支持壁との間の伝熱を防ぐこと;
前記水分吸着ユニット内の自然対流による空気循環を防ぎ、対流伝熱を阻止すること;ならびに
前記活性化合物受け皿から前記支持壁、底面壁および前記凝縮器への伝導伝熱を防止すること
のうち1つ、2つ、3つまたは4つの機能を有するように構成されている。
前記断熱区画および前記支持壁のための強固な基盤を提供し、かつ/または、
前記支持壁および前記活性化合物受け皿とともに、前記断熱材への水分の移動を阻止するように構成されている。
前記水分吸着ユニットと前記凝縮器とを空間的に分離すること;
前記水分吸着ユニットと前記凝縮器との間の伝熱を防ぐこと;
前記水分捕集筐体内の前記水分吸着ユニットの位置を調整して固定すること;および
前記水分吸着ユニットと前記凝縮器との間隔を調節すること
のうち1つ、2つ、3つまたは4つの機能を有するように構成されている。
前記水分捕集筐体の構造を支持すること;
太陽光からの赤外線が前記水分吸着ユニットおよび前記凝縮器に照射されるのを防止すること;
前記水分吸着ユニットとともに、予冷および空気循環のための気流路を構成すること;ならびに
側面断熱材を設置するための支持体であること
のうち1つ、2つ、3つまたは4つの機能を有するように構成されている。
周囲環境への排熱により、前記活性化合物受け皿から前記凝縮器へと流れる湿潤空気を冷却すること;
前記活性化合物受け皿と前記凝縮器との間で浮力流を発生しやすくすること;および
前記活性化合物受け皿と前記凝縮器との間の温度勾配を調節すること
のうち1つ、2つまたは3つの機能を有するように構成されている。
前記側壁のための強固な基盤を提供すること;
周囲環境からの物質移動および周囲環境への物質移動を可能にすること;
凝縮器を設置するための支持基盤を提供すること;
前記スペーサーを介して前記水分吸着ユニットを取り付けるための基盤を提供すること;ならびに
持ち運び可能なスタンドフレーム上に前記水分吸着ユニットを取り付けるための支持基盤を提供すること
のうち1つ、2つ、3つ、4つまたは5つの機能を有するように構成されている。
前記活性化合物から遊離した水分を凝縮すること;
前記水分吸着ユニットのすべての構成要素から空間的に分離されていること;
前記水分捕集筐体の脱湿による前記活性化合物からの水分の遊離を補助すること;ならびに
前記水分捕集筐体内の拡散による物質移動を維持すること
のうち1つ、2つ、3つまたは4つの機能を有するように構成されている。
前記活性化合物が金属酸化物構造体(MOF)を含むこと、
前記MOFの金属が、ジルコニウム、ニッケル、鉄、銅、マンガンおよびアルミニウムから選択されること、特に、前記活性化合物が、MOF-303などのアルミニウムをベースとする有機金属構造体を含むこと
を特徴とする、装置、システム、ユニットまたは筐体が提供される。
夜間に、前記水分捕集筐体の前記蓋を開けて、周囲空気中の水分を前記水分捕捉材料に吸着させること;および
翌日の昼間に、前記水分捕集筐体の前記蓋を閉めること、
を含む。
閉蓋することにより、太陽放射を利用して前記水分捕捉材料を加熱し、該水分捕捉材料から水蒸気を遊離させ、 遊離した水蒸気を、前記水分捕集筐体の1つ以上の側壁上で、または凝縮器を用いて、凝縮させて液体水を製造する。
本発明における水分捕捉材料は、活性化合物を含む。いくつかの実施形態において、前記水分捕捉材料は、周囲環境の空気中の水分を捕捉し、外部からの刺激により捕捉した水分を周囲環境へと遊離する。外部からの刺激としては、例えば、加熱、水蒸気圧変化または紫外線照射などが挙げられるが、これらに限定されない。前記活性化合物は、イオン結合性の多孔性固体であっても、共有結合性の多孔性固体であってもよく、例として、有機金属構造体材料、多孔性有機構造体材料、ゼオライト、有機イオン結合性固体、無機イオン結合性固体、有機分子結合性固体および無機分子結合性固体などが挙げられるが、これらに限定されない。前記活性化合物としては、熱容量が低く、熱伝導率が高く、水熱安定性が高い物質が好ましい。前記活性化合物は、純粋な単相形態の、複数種の活性化学物質材料の組成物として用いてもよく、かつ/または、当該化合物の特性を調整する性能強化添加物と組み合せて用いてもよい。前記性能強化添加物としては、例えば、熱伝導率とモル吸光率が高い材料が挙げられる。前記活性化合物は、粉末、押出成形物、成型体、プレス成形ペレット、単一材料もしくは複合材料からなるフィルム、または焼結体のいずれの形態で用いてもよい。
本明細書において、水分捕捉材料を格納する水分吸着ユニットと、水分捕集筐体とを含む大気水分捕集システムが提供される。
水分捕捉は、前記活性化合物が周囲環境から水分を捕捉する過程である。いくつかの実施形態において、この水分捕捉は、環境温度が比較的低く、湿度が比較的高い夜間に起こる。いくつかの実施形態において、前記水分捕捉は、夜間に前記覆蓋を開いて、周囲環境からの湿潤空気が前記水分捕集筐体内を自然循環して、前記活性化合物受け皿の上を流過するように誘導することにより起こる。周囲環境の湿度が低下して、環境温度が上昇する翌日の朝まで、この水分捕捉過程が継続される。いくつかの実施形態において、前記活性化合物受け皿の形状は、前記活性化合物の露出面が最大になるように、かつ、前記活性化合物が夜間のうちに(すなわち、10~12時間で)飽和状態になるように最適化されている。前記大気水分捕集器には、対象とする気候帯に応じて、最も優れた吸着パラメーターを有する活性化合物(またはそれらの混合物)が用いられる。吸着パラメーターとしては、例えば、吸着容量、水分捕捉・遊離動態、水熱安定性などが挙げられるが、これらに限定されない。
水分遊離は、前記活性化合物の加熱(温度変動)によって、または前記活性化合物の近傍の水分分圧の低下(圧力変動)によって、前記活性化合物内に捕捉された水分が脱着して周囲環境に戻る過程である。いくつかの実施形態において、この水分遊離は、昼間に覆蓋を閉じて、前記活性化合物受け皿を直射日光に当てることにより起こる。この太陽放射により、前記活性化合物が加熱されて、水分が遊離する(温度変動)。いくつかの実施形態において、前記活性化合物受け皿と覆蓋との間にわずかな隙間を設けることにより、水分遊離が促進される。昼間は、このわずかな隙間にある空気の温度が上昇し、その結果、前記活性化合物の上方の水分分圧が低下するため、水分遊離が促される(圧力変動)。したがって、特定のいくつかの実施形態においては、水分遊離時に圧力変動と温度変動を同時に誘導することが可能である。
凝縮は、前記活性化合物から遊離した水分が、周囲環境への排熱によって、定圧で蒸気から液体へと相変化する過程である。いくつかの実施形態において、遊離した水分は、前記水分捕集筐体内の浮力による気流循環により、前記予冷気流路に向かって流れる。前記予冷気流路を流れる湿潤空気は、前記水分捕集筐体の側壁への排熱によって冷却される。予冷された湿潤空気は、前記凝縮器で露点温度以下までさらに冷却されて液化する。特定のいくつかの実施形態は、外部のエネルギー源を用いずに水分が凝縮されるように設計される。さらなる冷却手段を用いて、凝縮を促進することも可能である。さらなる冷却手段への電力供給は、太陽光、送電網、化石燃料および風力などの様々なエネルギー源を用いて行うことができるが、エネルギー源はこれらに限定されない。
水回収は、凝縮時に得られた凝縮水を回収し、後で使用するために保存する過程である。いくつかの実施形態において、回収した水は、重力を利用した回収システムにより前記貯水槽に向かって流れる。この水は、前記貯水槽に付いている蛇口を開栓することにより、任意の用途で使用するためにさらに回収される。
以下に列挙する実施形態は、本発明のいくつかの態様における代表的なものである。
1.大気中の水分を捕捉、遊離、凝縮して、液体水を回収する大気水分捕集システムであって、
太陽エネルギーの利用により大気水分を捕捉および遊離する活性化合物を含む水分吸着ユニットと、
該水分吸着ユニットと凝縮器との間で気流の循環が起こるように構成された気流路を含む水分捕集筐体と、
エネルギー投入を伴って、またはエネルギー投入を伴わずに、水分から液体水を生成する凝縮器と、
該凝縮器から液体水を回収する水回収システムと
を含む大気水分捕集システム。
2.活性化合物受け皿を含む水分吸着ユニットであって、該活性化合物受け皿が、
活性化合物を保持すること;
前記活性化合物への太陽放射による伝熱を促進すること;
水分の捕捉および遊離が行われる、前記活性化合物の接触面を増大させること;
前記活性化合物に物質移動および伝熱のための空間を提供すること;ならびに
充填された様々な活性化合物を拘束できること
のうち1つ、2つ、3つ、4つまたは5つの機能を有するように構成されている、水分吸着ユニット。
3.1つ以上の支持壁を含む水分吸着ユニットであって、該支持壁が、
活性化合物受け皿の構造を支持し、かつ/または
太陽光からの赤外線が断熱区画に照射されるのを防止するように構成されている
水分吸着ユニット。
4.断熱区画を含む水分吸着ユニットであって、該断熱区画が、
活性化合物受け皿および支持壁の構造安定性を高めること;
前記活性化合物受け皿と前記支持壁との間の伝熱を防ぐこと;
前記水分吸着ユニット内の自然対流による空気循環を防ぎ、対流伝熱を阻止すること;ならびに
前記活性化合物受け皿から前記支持壁、底面壁および凝縮器への伝導伝熱を防止すること
のうち1つ、2つ、3つまたは4つの機能を有するように構成されている、水分吸着ユニット。
5.支持底板を含む水分吸着ユニットであって、該支持底板が、断熱区画および支持壁のための強固な基盤を提供し、かつ/または、前記支持壁および活性化合物受け皿とともに、断熱材への水分の移動を阻止するように構成されている、水分吸着ユニット。
6.複数のスペーサーを含む大気水分捕集システムであって、該複数のスペーサーが、
水分吸着ユニットと凝縮器とを空間的に分離すること;
前記水分吸着ユニットと前記凝縮器との間の伝熱を防ぐこと;
水分捕集筐体内の前記水分吸着ユニットの位置を調整して固定すること;および
前記水分吸着ユニットと前記凝縮器との間隔を調節すること
のうち1つ、2つ、3つまたは4つの機能を有するように構成されている、大気水分捕集システム。
7.1つ以上の側壁を含む水分捕集筐体であって、該1つ以上の側壁が、
前記水分捕集筐体の構造を支持すること;
太陽光からの赤外線が水分吸着ユニットおよび凝縮器に照射されるのを防止すること;
前記水分吸着ユニットとともに、予冷および空気循環のための気流路を構成すること;ならびに
側面断熱材を設置するための支持体であること
のうち1つ、2つ、3つまたは4つの機能を有するように構成されている、水分捕集筐体。
8.1つ以上の予冷気流路を含む水分捕集筐体であって、該1つ以上の予冷気流路が、
周囲環境への排熱により、活性化合物受け皿から凝縮器へと流れる湿潤空気を冷却すること;
前記活性化合物受け皿と前記凝縮器との間で浮力流を発生しやすくすること;および
前記活性化合物受け皿と前記凝縮器との間の温度勾配を調節すること
のうち1つ、2つまたは3つの機能を有するように構成されている、水分捕集筐体。
9.底板を含む水分捕集筐体であって、該底板が、
側壁のための強固な基盤を提供すること;
周囲環境からの物質移動および周囲環境への物質移動を可能にすること;
凝縮器を設置するための支持基盤を提供すること;
スペーサーを介して水分吸着ユニットを取り付けるための基盤を提供すること;ならびに
持ち運び可能なスタンドフレーム上に前記水分吸着ユニットを取り付けるための支持基盤を提供すること
のうち1つ、2つ、3つ、4つまたは5つの機能を有するように構成されている、水分捕集筐体。
10.凝縮器を含む水分捕集筐体であって、該凝縮器が、
活性化合物から遊離した水分を凝縮すること;
水分吸着ユニットのすべての構成要素から空間的に分離されていること;
前記水分捕集筐体の脱湿による前記活性化合物からの水分の遊離を補助すること;ならびに
前記水分捕集筐体内の拡散による物質移動を維持すること
のうち1つ、2つ、3つまたは4つの機能を有するように構成されている、水分捕集筐体。
11.前述のシステム、ユニットまたは筐体であって、前記活性化合物が金属酸化物構造体(MOF)を含むこと、前記MOFの金属が、ジルコニウム、ニッケル、鉄、銅、マンガンおよびアルミニウムから選択されること、特に、前記活性化合物がMOF-303などのアルミニウムをベースとする有機金属構造体を含むことを特徴とする、システム、ユニットまたは筐体。
12.周囲空気から水分を捕捉するための大気水分捕集システムであって、
該システムが、水分吸着ユニットと水分捕集筐体とを含むこと、
該水分吸着ユニットが、断熱材を含む断熱区画とトレーとを含み、該トレーが、該水分吸着ユニットの最上部に配置され、該断熱区画の上に配置されていること、
前記トレーに、水分捕捉材料が格納されており、該水分捕捉材料が、吸着段階では周囲空気中の水分を吸着し、脱着段階では水蒸気を脱離する材料であること、
前記水分捕捉材料と接する前記トレーの底面が、太陽光吸収材で覆われているか、太陽光吸収材で作製されていること、
前記水分吸着ユニットの側面が、太陽光反射材で覆われているか、太陽光反射材で作製されていること、
前記水分捕集筐体が蓋を備えていること、
前記水分吸着ユニットが、前記水分捕集筐体の内部に配置されており、該水分吸着ユニットと該水分捕集筐体との間に空間が存在すること、
前記水分捕集筐体が透明であること、
吸着段階では、前記蓋が開いており、前記水分捕捉材料が冷湿な周囲空気と接触して、水分を吸着し、脱着段階では、前記蓋が閉じており、前記水分捕捉材料が太陽放射により加熱され、水蒸気を遊離すること、ならびに
前記水分捕集筐体が1つ以上の側壁を有し、該1つ以上の側壁が、凝縮段階で、遊離した水蒸気の少なくとも一部を凝縮させて液体水を生成するように構成されていること
を特徴とする大気水分捕集システム。
13.前記システムが地中に埋められていること、前記水分捕集筐体の1つ以上の側壁が地中の土と接していること、および該1つ以上の側壁が、接している土に伝熱用の面を提供することを特徴とする、実施形態12に記載のシステム。
14.周囲空気から水分を捕捉するための大気水分捕集システムであって、
該システムが、水分吸着ユニットと、水分捕集筐体と、凝縮器とを含むこと、
該水分吸着ユニットが、断熱材を含む断熱区画とトレーとを含み、該トレーが、該水分吸着ユニットの最上部に配置され、該断熱区画の上に配置されていること、
前記トレーに、水分捕捉材料が格納されており、該水分捕捉材料が、吸着段階では周囲空気中の水分を吸着し、脱着段階では水蒸気を脱離する材料であること、
前記水分捕捉材料と接する前記トレーの底面が、太陽光吸収材で覆われているか、太陽光吸収材で作製されていること、
前記水分吸着ユニットの側面が、太陽光反射材で覆われているか、太陽光反射材で作製されていること、
前記水分捕集筐体が蓋を備えていること、
前記水分吸着ユニットが、前記水分捕集筐体の内部に配置されており、該水分吸着ユニットと該水分捕集筐体との間に空間が存在すること、
前記水分捕集筐体が透明であること、
吸着段階では、前記蓋が開いており、前記水分捕捉材料が冷湿な周囲空気と接触して、水分を吸着し、脱着段階では、前記蓋が閉じており、前記水分捕捉材料が太陽放射により加熱され、水蒸気を遊離すること、
前記水分捕集筐体が、脱着後の遊離水蒸気を保持するように構成されていること、
前記凝縮器が、前記水分捕集筐体の底部に、前記水分吸着ユニットから隔てて配置されていること、ならびに
前記凝縮器が、凝縮段階で、前記遊離水蒸気の少なくとも一部を凝縮させて液体水を生成するように構成されていること
を特徴とする大気水分捕集システム。
15.前記システムが、直射日光が最大限に照射されるように斜面に配置されている、実施形態14に記載のシステム。
16.前記液体水を回収するように構成された水回収ユニットをさらに含む、実施形態12~15のいずれかに記載のシステム。
17.前記水分捕集筐体の前記蓋に反射器が取り付けられており、該反射器により、前記水分吸着ユニットの前記トレーに格納された前記水分捕捉材料のみが太陽放射を受けるように構成されている、実施形態12~16のいずれかに記載のシステム。
18.前記断熱区画に前記断熱材が密に充填されている、実施形態12~17のいずれかに記載のシステム。
19.前記断熱材が、熱伝導率の低い材料である、実施形態12~18のいずれかに記載のシステム。
20.前記断熱材が、ガラス繊維もしくはポリスチレンフォーム、またはこれらの組み合わせを含む、実施形態12~18のいずれかに記載のシステム。
21.前記太陽光吸収材が黒色コーティングであり、前記太陽光反射材が白色コーティングである、実施形態12~20のいずれかに記載のシステム。
22.前記水分捕集筐体が、熱容量の高い1つ以上の側壁を有する、実施形態12~21のいずれかに記載のシステム。
23.前記水分捕集筐体が、熱伝導率の低い1つ以上の側壁を有する、実施形態12~21のいずれかに記載のシステム。
24.前記水分捕集筐体が、ガラス繊維、ポリスチレンフォーム、エアロゲル、土、コルク、岩石、スラグもしくはコンクリート、またはこれらの任意の組み合わせで作製された1つ以上の側壁を有する、実施形態12~21のいずれかに記載のシステム。
25.前記水分捕捉材料が、少なくとも1種の有機金属構造体を含む、実施形態12~24のいずれかに記載のシステム。
26.前記水分捕捉材料が、少なくとも1種の有機金属構造体を含むこと、各有機金属構造体がそれぞれ、有機配位子と結合した二次構造単位を含む多孔質材料であること、前記二次構造単位が、1種以上の金属または1種以上の金属含有錯体を含むこと、ならびに前記有機配位子が、酸官能基、アミン官能基、またはこれらの任意の組み合わせを含むこと、を特徴とする実施形態12~25のいずれかに記載のシステム。
27.前記有機配位子がカルボン酸基を含む、実施形態26に記載のシステム。
28.各有機金属構造体がそれぞれ、約0.5nm~約1nmの細孔径を有する、実施形態12~27のいずれかに記載のシステム。
29.各有機金属構造体がそれぞれ、親水性細孔構造を有する、実施形態12~28のいずれかに記載のシステム。
30.各有機金属構造体がそれぞれ、酸官能基、アミン官能基、またはこれらの任意の組み合わせを含む親水性細孔構造を有する、実施形態12~20のいずれかに記載のシステム。
31.各有機金属構造体がそれぞれ、水分を可逆的に吸着できる1次元チャネルを有する、実施形態12~30のいずれかに記載のシステム。
32.少なくとも1つのソーラーパネルをさらに含み、該ソーラーパネルが、前記システムにエネルギーを供給するように構成されている、実施形態12~31のいずれかに記載のシステム。
33.少なくとも1つのファンをさらに含み、該ファンが、前記水分捕集筐体の底部を冷却して凝縮を加速させるように構成されている、実施形態12~32のいずれかに記載のシステム。
34.完全パッシブシステムである、実施形態12~31のいずれかに記載のシステム。
35.実施形態12~34のいずれかに記載の大気水分捕集システムを用いて、周囲空気から水分を捕集する方法であって、
夜間に、前記水分捕集筐体の前記蓋を開けて、周囲空気中の水分を前記水分捕捉材料に吸着させること;および
翌日の昼間に、前記水分捕集筐体の前記蓋を閉めて、それにより、太陽放射を利用して前記水分捕捉材料を加熱し、該水分捕捉材料から水蒸気を遊離させ、遊離した水蒸気を、前記水分捕集筐体の1つ以上の側壁上で、または凝縮器を用いて、凝縮させて液体水を製造すること
を含む方法。
36.大気水分捕集システムを用いて、周囲空気から水分を捕集する方法であって、
夜間に、吸着により、水分捕捉材料を冷湿な周囲空気中の水分で飽和させること;
翌日の昼間に、太陽放射を利用して前記水分捕捉材料を加熱し、該水分捕捉材料から水蒸気を遊離させること;および
遊離した水蒸気を、水分捕集筐体の1つ以上の側壁上で、または凝縮器を用いて、凝縮させて液体水を製造すること
を含み、
前記水分捕捉材料が、トレーに格納されており、該トレーが、水分吸着ユニットの最上部に配置され、該水分吸着ユニット内の断熱区画の上に配置されていること、
前記水分吸着ユニットが、蓋を備えた前記水分捕集筐体の内部に配置されており、該蓋が夜間は開いていること、および
前記水分捕集筐体の前記蓋が昼間は閉じていること
を特徴とする方法。
37.前記液体水を回収することをさらに含む、実施形態35または36に記載の方法。
38.前記水分捕捉材料が、少なくとも1種の有機金属構造体を含む、実施形態35~37のいずれかに記載の方法。
39.前記大気水分捕集システムが地中に配置されていること、および前記遊離水蒸気が前記水分捕集筐体の1つ以上の側壁上で凝縮されて液体水が生成される際に、地中に熱が放出されることを特徴とする、実施形態35~38のいずれかに記載の方法。
40.前記遊離水蒸気が、凝縮器を用いて凝縮される、実施形態35~39のいずれかに記載の方法。
41.凝縮を加速させるために、少なくとも1つのファンを用いて、前記遊離水蒸気を冷却することをさらに含む、実施形態40に記載の方法。
42.前記大気水分捕集システムが完全パッシブシステムである、実施形態35~39のいずれかに記載の方法。
砂漠の空気からの実用的な水製造
砂漠の空気から水を製造する方法として、エネルギー効率の良い方法はいまだ開発されていない。相対湿度が低い環境で水を捕集するための装置として、概念実証された装置が報告されているが、この装置は、外部冷却器を利用するものであり、また、実際に砂漠で試験が行われたものではない。ここで、我々が実験室から砂漠へと移行して実施した実験について報告する。この実験は、最大1.2kgの有機金属構造体(MOF)-801を用いた試作機の試験で、実験室で行った後、アリゾナ州の砂漠でも行った。この試作機により、自然冷却と、エネルギー源として自然太陽光のみを利用して、昼夜1回のサイクルでMOF-801 1kg当たり100gの水を製造した。また、アルミニウムをベースとするMOF-303についても報告する。このMOFでは、2倍量を超える水を製造することができる。砂漠での実験により、砂漠の空気から水を効率的に製造する際の、エネルギー、材料および空気の必要条件に関する重要なパラメーターが明らかになった。
MOFの合成および分析に関する材料および分析方法
セクションS1.1
材料
分析方法
MOF-801の合成および特性解析
セクションS2.1
MOF-801微結晶性粉末の合成
100mLのスクリューキャップ容器に、1.16g(50mmol)のフマル酸および3.2g(50mmol)のZrOCl2・8H2Oを加えて、DMFとギ酸(40mLと14mL)の混合溶媒に溶解した。反応液を130℃の恒温オーブンで10時間加熱し、白色析出物としてMOF-801を、調製したそのままの状態で得た。この析出物をメンブレンフィルター(孔径45μm)を用いてろ取し、100mLのDMFで1日3回3日間洗浄した後、100mLのメタノールで1日3回3日間洗浄し、空気中で乾燥させた。空気中で乾燥させたMOFのサンプルを真空チャンバーに移した。まず、チャンバー内の圧力が1kPa未満になるまで室温で5時間真空引きを行った。その後、サンプルを真空下70℃で12時間加熱し、さらに150℃で48時間加熱することにより、活性化MOF-801を白色粉末として得た(収量:2g)。このバッチを、水分吸着特性曲線およびTGAによる吸脱着動態の測定に用いた。
典型的な手順で、500mLのスクリューキャップ容器に、5.8g(50mmol)のフマル酸および16g(50mmol)のZrOCl2・8H2Oを加えて、DMFとギ酸(200mLと70mL)の混合溶媒に溶解した。反応液を130℃の恒温オーブンで一晩加熱し、白色の析出物としてMOF-801を、調製したそのままの状態で得た。収量:約10g。5個の反応容器から得られた析出物を合わせてろ取し、500mLのDMFで1日3回3日間洗浄した後、500mLのメタノールで1日3回3日間洗浄し、空気中で乾燥させた。
MOF-801のスケールアップ活性化
活性化MOF-801の特性解析
微結晶性MOF-801の活性化体をPXRDで解析した。粉末状にしたサンプルをゼロバックグラウンドサンプルホルダーに載せて、回折計にマウントした。データ収集は、ステップ幅を0.01として3~50度の角度範囲で行い、データ収集時間はトータルで30分であった。MOF粉末のバルク体の形態および元素組成を調べるために、SEMおよびEDSの測定を行った。
よく混合した微結晶性粉末MOF-801の活性化体1100gから35mgをサンプリングして9mmのバルブガスセル(bulb gas cell)に入れ、空気の混入を防ぐために窒素を充填した。このガスセルを機器にマウントした。26の吸着ポイントと11の脱着ポイントを収集した。
水分容量特性の評価
特徴的なA-W水分吸着曲線は、Polanyiの吸着ポテンシャル理論(等式S2、等式S3)を適用して推定した。
MOF-801/Gの調製および特性解析
セクションS3.1
混合物の調製
MOF-801/Gの特性解析
市販のグラファイト粉末をそのままPXRD実験に用いた。粉末サンプルをゼロバックグラウンドサンプルホルダーに載せて、回折計にマウントした。データ収集は、ステップ幅を0.01として3~50度の角度範囲で行い、データ収集時間はトータルで30分であった。MOF-801/G粉末のバルク体の形態および元素組成を調べるために、SEM画像およびEDS画像を撮影した。
この実験で用いたグラファイトの空隙率は非常に低かったため、77Kにおける窒素等温線の測定は器差が大きく困難であった。したがって、純粋なグラファイトの窒素等温線は示していない。
水分吸着特性の評価
MOF-303の合成および特性解析
セクションS4.1
微結晶性MOF-303粉末の合成
1Lのガラス製容器に、10.4gの塩化アルミニウム六水和物(AlCl3・6H2O、43.08mmol)および7.5gの3,5-ピラゾールジカルボン酸一水和物(H3PDC、43.08mmol)を加えて、720mLの水に溶解した。これに、30mLのNaOH水溶液(2.6g、65mmol)を撹拌下で滴下した。次いで、反応容器を密閉して、100℃の恒温オーブンで24時間加熱した(収量:3.0g、リンカーベースで35%)。0.6mmolのAlCl3・6H2O、0.6mmolのH3PDCおよび0.7mmolのNaOHを、4mLのH2O中で混合して、X線回折実験に適した単結晶を調製した。得られた混合物を23mLのオートクレーブに入れて密閉し、100℃の恒温オーブンで7日間加熱した。
EA:Al(OH)(C5H2O4N2)(H2O)としての計算値
C 27.79%;H 2.33%;N 12.96%。
分析値:C 27.62%;H 2.26%;N 12.74%。
ATR-FTIR(4000~400cm-1):
1667(w), 1601(s), 1525(m), 1482(w), 1440(m), 1386(s), 1193(m), 1106(m), 998(s), 848(w), 791(s), 588(br), 456(s), 422(w).
MOF-303活性化
単結晶MOF-303および微結晶性粉末MOF-303の特性解析
単結晶X線回折データは、合成したそのままの状態のMOFの無色の板状結晶(20μm×20μm×10μm)を用いて、ローレンス・バークレー国立研究所(LBNL)内のALSに設置されたビームライン11.3.1(Bruker Photon 100 CMOS area detectorを装備)において、シンクロトロン放射光(10~17KeV)を利用して0.7749Åで収集した。結晶は、MiTeGen(登録商標)Kaptonループにマウントし、100(2)Kの冷却窒素気流下に静置した。データの処理は、Bruker製APEX2ソフトウェアパッケージを用いて行い(23)、そのデータをSAINT v8.34Aを用いて統合し、SADABSルーチンにより吸収補正を行った(消衰または減衰に対する補正は行わなかった)。構造は、intrinsic phasing法(固有位相決定法)(SHELXT)により決定し、F2を用いて完全行列最小二乗法(SHELXL-2014)で精密化した(24)。MOF-303の原子の位置は単結晶データより得られたが、結晶の回折強度が弱いため、異方性精密化は不安定なままであった。単結晶データより得られた構造モデルをベースとして、Materials Studioを用いて構造の精密化を行った(25)。選択した結晶データおよび原子の位置は、表1および2に示す。
微結晶性MOF-303の活性化体をPXRD実験に使用した。粉末状にしたサンプルをゼロバックグラウンドサンプルホルダーに載せて、回折計にマウントした。データ収集は、ステップ幅を0.01として3~50度の角度範囲で行い、データ収集時間はトータルで30分であった。MOF-303粉末のバルク体の形態および元素組成を調べるために、SEM画像およびEDS画像を撮影した。
よく混合したMOF-303の活性化体450gから45mgをサンプリングして9mmのバルブガスセルに入れ、空気の混入を防ぐために窒素を充填した。このガスセルを機器にマウントした。26の吸着ポイントと11の脱着ポイントを収集した。
水分容量特性の評価
MOF-303/Gの調製および特性解析
セクションS5.1
混合物の調製
MOF-303/Gの特性解析
粉末サンプルをゼロバックグラウンドサンプルホルダーに載せて、回折計にマウントした。データ収集は、ステップ幅を0.01として3~50度の角度範囲で行い、データ収集時間はトータルで30分であった。MOF-303/G粉末のバルク体の形態および元素組成を調べるために、SEM画像およびEDS画像を撮影した。
よく混合したMOF-303/Gの活性化体600gから65mgをサンプリングして9mmのバルブガスセルに入れ、空気の混入を防ぐために窒素を充填した。このガスセルを機器にマウントした。26の吸着ポイントと11の脱着ポイントを収集した。
水分容量特性の評価
吸着材の比較
セクションS6.1
ゼオライト13Xの特性解析
太陽放射応答
近赤外線特性
水分動態の比較
水分捕集器
セクションS7.1
材料
太陽放射応答
近赤外線特性
水分吸着ユニット
ケーシング
太陽光反射器
データ収集とセンサー
温度および湿度の読取値は、捕集実験中にケーシング内部の様々な位置で記録されたものである。また、環境空気の湿度および温度も、水分捕集器の近傍で測定した。
湿度測定
温度測定
実験室条件下におけるWHC
セクションS9.1
人工放射束発生器
実験室条件下における水製造
実験室条件下で行ったすべての水分捕集サイクルにおける温度・相対湿度プロファイルを、図55~68に示す。回収された液体水の量を実験ごとに示す。飽和の最後の30分は、飽和状態を評価するために示されている。低放射束は558W m-2、高放射束は792W m-2である。温度センサーは、吸着材表面(図中、吸着材表面)、吸着材内部(図中、吸着材内部)、ケーシング側壁(図中、外側壁)、凝縮器の底部(図中、凝縮器)、および外部(周囲環境)に配置した。周囲環境の露点温度は、周囲環境のRHと温度の読取値から推定した。相対湿度センサーは、吸着材上面(図中、吸着材表面)、凝縮器の近傍のケーシング底部(図中、凝縮器)、および外部(図中、周囲環境)に配置した。
水分捕集サイクルの性能評価
水分遊離に関する設計の考察
このセクションでは、設計した水分捕集器のqsensibleとqlatentについて、我々がMOF-801/Gを用いて行った予備実験のデータに基づいて比較を行う。水分捕捉過程を25℃、RH35%で行った場合、ωcap=0.14であった。qst,801の平均値は、吸着等温線から3000KJ kg-1と求められ、この場合、qlatentは420KJ kg-1となる。cp,801=760J kg-1 K-1、ρp,801=1400kg m-3(15)、cp,G=760J kg-1 K-1および2150kg m-3(27)である場合、混合物MOF-801/Gの密度と熱容量は、それぞれρp,801/G=1584kg m-3およびcp,801/G=743J kg-1 K-1である。様々なΔTWH=Trel-Tcapにおけるqsensibleおよびqsensible/qlatentの値を図71に示す。図71では、水と空気の特性値を、平均遊離温度および平均捕捉温度で算出した。この結果より、遊離過程では、qsensible≪qlatentであり、したがって、入射エネルギーはほぼすべてMOF水相互作用の解消に消費されることが示唆される。
MOFからの水分の遊離に必要な温度の範囲(Trelease<80℃)においては、MOFを黒体放射体(ε=1)とみなしても、受ける放射束(約250~500W m-2)と比べると、放射熱損失は無視できるレベル(<4W m-2)であることが分かる。入射放射束の計算においては、最大値である4W m-2を放射熱損失量とみなした。
水分凝縮に関する設計の考察
アリゾナ州スコッツデールにおける砂漠の条件下での捕集実験
10月後半に米国アリゾナ州スコッツデールで行った捕集実験のための準備に関しては、明細書中の主要部に記載した通りである。図76および77に、1.65kgおよび0.825kgのMOF-801/Gを用いて行った2回の実験における温度・相対湿度プロファイルを示す。図78は、これらの実験で用いた外部絶縁材について説明したものである。
回収した水サンプルの化学分析およびMOFの化学安定性
微結晶性粉末MOF-801の活性化体を、重水素とともにNMRチューブに加えた。このNMRチューブを85℃で2時間加熱する前と後で、1H-NMRスペクトルを測定した。化学シフト値は、重水素化溶媒の適当な残留溶媒シグナルを基準にしてppmの単位で記載する。1H NMR:D2O δ:4.79ppm,DMSO-d6 δ:2.50ppm。サンプル中、微量のN,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアミンおよびギ酸が検出された。この原因としては、活性化手順が理想的でなかったことが考えられる。MOFの粉末を重水素化水に加えて加熱した後も、同様に微量の上記の化合物が含まれていた。MOFから浸出する可能性のあるフマル酸は検出されなかったことから、MOFの加水分解安定性が確認された。
Claims (12)
- 水分吸着ユニットと、水分捕集筐体と、凝縮器とを含む大気水分捕集システムであって、
該水分吸着ユニットが、活性化合物受け皿、支持壁、および断熱区画を含み、
前記水分吸着ユニットは、底面支持壁と、該底面支持壁に取り付けられた4つ
の側壁とで構成される支持壁を備えることによって立方形状を有し、該立方形状
により1面のみ開放された立方筐体を形成し、
前記支持壁は、水分の捕捉および遊離時において、前記活性化合物受け皿を所
望の位置で保持すると同時に前記断熱区画への水分の移動を阻止する密閉筐
体を形成し、前記支持壁は、不利となる凝縮機への伝導伝熱を回避するために
熱伝導率の低い非金属材料で作製されており、前記支持壁の外面は、太陽光ス
ペクトル内のモル吸光率の低い材料でコーティングされており、該モル吸光率
の低い材料によって、前記水分吸着ユニットの側壁の赤外線吸収を最小限に抑
えて、前記凝縮器の温度を露点未満に維持するのを助け、
前記断熱区画に断熱材が充填され、
前記活性化合物受け皿は、断熱区画の上方であって、水分吸着ユニットの頂部
において、水分の捕捉および遊離の場となる活性化合物が充填されたトレーであ
り、前記活性化合物受け皿は前記支持壁の上部にねじ留めされるか、または支持
壁の上面端部に永久接着され、
前記活性化合物は、吸着段階では空気中の水分を吸着し、脱着段階では水蒸気
を脱離し、
前記活性化合物と接する前記トレーの内側底面は、黒体吸収体とするための太
陽光の吸収性が高い黒色コーティングの形態である太陽光吸収材でコーティン
グされており、前記活性化合物受け皿の側壁は、太陽照射の大部分を前記活性化
合物へと反射させる太陽光反射材で覆われており、
前記水分捕集筐体が蓋を備えており、
前記水分吸着ユニットは、前記水分捕集筐体の内部に配置されており、前記水
分吸着ユニットと前記水分捕集筐体との間には空間が存在し、
吸着段階では、前記蓋は開いており、前記活性化合物は冷湿な周囲空気と接触して水分を吸着し、脱着段階では、前記蓋は閉じており、前記活性化合物は太陽放射により加熱されて水蒸気を遊離し、前記水分捕集筐体は脱着後の遊離水蒸気を保持するように構成されており、
前記凝縮器が、前記水分捕集筐体の1つ以上の側壁を含むか、前記水分捕集筐体の底部に、前記水分吸着ユニットから隔てて配置されていること、ならびに
前記凝縮器が、凝縮段階で、前記の活性化合物から遊離された水蒸気の少なくとも一部を凝縮させて液体水を生成するように構成されていること
を特徴とする大気水分捕集システム。 - 前記大気水分捕集システムは、直射日光が最大限に照射されるように斜面に配置されていること、
前記大気水分捕集システムは、前記水分吸着ユニットと、前記凝縮器とを空間的に分離して断熱するためのスペーサーであって、前記水分捕集筐体内の前記水分吸着ユニットの位置を調節して固定し且つ前記水分吸着ユニットと前記凝縮器との間隔を調節するためのスペーサーを有し、
前記断熱材が、ガラス繊維もしくはポリスチレンフォーム、またはこれらの組合せを含み、
前記太陽光吸収材が黒色コーティングであり、
前記太陽光反射材が白色コーティングであり、および
前記水分捕集筐体が、ガラス繊維、ポリスチレンフォーム、エアロゲル、土、コルク、岩石、スラグもしくはコンクリート、またはこれらの任意の組合せで作製された1つ以上の側壁を有することを特徴とする、請求項1に記載の大気水分捕集システム。 - 前記液体水を回収するように構成された水回収ユニットをさらに含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の大気水分捕集システム。
- 前記トレーに水分捕捉材料が格納されており、前記水分捕集筐体の前記蓋に反射器が取り付けられており、該反射器により、前記トレーに格納された前記水分捕捉材料のみが太陽放射を受けるように構成されていることを特徴とする、請求項1~3のいずれかに記載の大気水分捕集システム。
- 前記活性化合物が、少なくとも1つの金属酸化物構造体(MOF)を含むことを特徴とする、請求項1~4のいずれかに記載の大気水分捕集システム。
- 前記活性化合物が少なくとも1つのMOFおよびグラファイトを含み、MOFの金属が、ジルコニウム、ニッケル、鉄、銅、マンガンおよびアルミニウムから選択されることを特徴とする、請求項5に記載の大気水分捕集システム。
- 少なくとも1つのソーラーパネルをさらに含み、該ソーラーパネルが、前記大気水分捕集システムにエネルギーを供給するように構成されていることを特徴とする、請求項1~6のいずれかに記載の大気水分捕集システム。
- 少なくとも1つのファンをさらに含み、該ファンが、前記水分捕集筐体の底部を冷却して凝縮を加速させるように構成されていることを特徴とする、請求項1~7のいずれかに記載の大気水分捕集システム。
- 前記大気水分捕集システムが、水分の捕捉および凝縮にはエネルギーを必要とせず、水分の遊離のみ直射日光に依存する完全パッシブシステムであることを特徴とする、請求項1~6のいずれかに記載の大気水分捕集システム。
- 請求項1~9のいずれかに記載の大気水分捕集システムを用いて、周囲空気から水分を捕集する方法であって、
夜間に、前記水分捕集筐体の前記蓋を開けて、周囲空気中の水分を水分捕捉材料として機能する活性化合物に吸着させること;および
翌日の昼間に、前記水分捕集筐体の前記蓋を閉めて、それにより、太陽放射を利用して前記活性化合物を加熱し、該加熱された活性化合物から水蒸気を遊離させ、遊離した水蒸気を、前記水分捕集筐体の1つ以上の側壁上で、または凝縮器を用いて、凝縮させて液体水を製造すること
を含む方法。 - さらに液体水を集めることを含むことを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- 前記大気水分捕集システムが地中に配置されていること、および前記遊離水蒸気が前記水分捕集筐体の1つ以上の側壁上で凝縮されて液体水が生成される際に、地中に熱が放出されることを特徴とする、請求項10または11に記載の方法。
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