MOF adaptatif à l'environnement

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4873 (2022) Citer cet article

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La récolte de la vapeur d'eau des environnements désertiques et arides par des dispositifs à base de structure organométallique (MOF) pour fournir de l'eau liquide propre dépend de manière critique des conditions environnementales et climatiques. Cependant, des dispositifs signalés ont encore été développés pour s'adapter en temps réel à de telles conditions pendant leur fonctionnement, ce qui limite considérablement l'efficacité de la production d'eau et augmente inutilement la consommation d'énergie. Ici, nous rapportons et détaillons un mode de fonctionnement de la collecte de l'eau, appelé «récolte adaptative de l'eau», à partir duquel un dispositif basé sur MOF s'est avéré capable d'adapter les phases d'adsorption et de désorption de son cycle de collecte de l'eau aux fluctuations météorologiques tout au long d'une journée donnée, semaine et mois afin que son efficacité de production d'eau soit continuellement optimisée. Dans des expériences d'évaluation des performances dans un climat désertique et aride (17 à 32 % d'humidité relative), le dispositif de collecte d'eau adaptatif atteint une augmentation de 169 % de la production d'eau (3,5 LH2O kgMOF−1 j−1) par rapport au dispositif le plus performant, appareil actif signalé (0,7–1,3 LH2O kgMOF−1 j−1 à 10–32% d'humidité relative), une consommation d'énergie inférieure (1,67–5,25 kWh LH2O−1) et un gain de temps en nécessitant près de 1,5 cycles de moins qu'un appareil homologue actif appareil. De plus, l'eau produite répond aux normes nationales de consommation d'un pays potentiel adoptant la technologie.

Six milliards de personnes seront confrontées à l'insécurité hydrique d'ici 2050 en conséquence directe du changement climatique, de la mauvaise protection des ressources en eau, de l'expansion des pratiques agricoles irriguées, de l'augmentation des exportations de produits à forte intensité d'eau et de la croissance de la population humaine1,2,3. Lorsque l'on tente de faire face à la crise mondiale de l'eau, l'approche traditionnelle consiste à coupler les approvisionnements nationaux en eau avec les besoins des utilisateurs d'eau sans tenir compte de la demande totale en eau1,4. Bien qu'il y ait suffisamment d'eau douce disponible pour répondre à cette demande annuelle au niveau mondial, les variations géographiques et temporelles de la demande et de la disponibilité en eau sont importantes, ce qui signifie que la pénurie d'eau se produit et change à des moments spécifiques de l'année1,4. Une première étape idéale serait que les pays pauvres en eau réduisent leur dépendance vis-à-vis des ressources en eau externes et élaborent des politiques d'importation de produits à forte intensité d'eau qui, autrement, épuisent les réserves ou ne peuvent pas être produits de manière durable au niveau national1,5. En effet, cela aurait un impact ; de 1996 à 2005, près d'un cinquième de l'empreinte hydrique mondiale était consacrée à l'exportation plutôt qu'à la consommation intérieure5. Parallèlement, pendant ces périodes de pénurie d'eau, des moyens alternatifs de récupération, de création, de production et/ou de distribution d'eau doivent être poursuivis et réalisés, qui incluent la réduction systémique de l'eau non génératrice de revenus, le dessalement, le traitement et la réutilisation des eaux usées, et l'eau récolte sous différentes formes6,7,8. Bien que ceux-ci se soient tous révélés efficaces à des degrés divers pour compléter la fourniture d'eau pour répondre à la demande domestique dans différentes conditions environnementales et climatiques, une technologie émergente - la collecte de l'eau atmosphérique à base d'adsorbant - se distingue par son potentiel éprouvé dans la capture, la collecte et la condensation. vapeur d'eau dans des conditions climatiques où sa concentration est faible (c'est-à-dire désert, régions arides)9,10,11. Dans la collecte d'eau atmosphérique à base d'adsorbants, les cadres organométalliques (MOF), une classe de matériaux cristallins poreux étendus, règnent en maître compte tenu de leur comportement idéal d'absorption d'eau et de leur capacité à des humidités relatives (HR) pertinentes, une cinétique et une thermodynamique favorables de la physisorption, et la stabilité hydrolytique12,13,14,15,16.

Lors de l'utilisation de MOF, ainsi que d'autres matériaux adsorbants, pour la collecte de l'eau atmosphérique, deux modes de fonctionnement ont été signalés pour les dispositifs qui exploitent leur utilisation17. Le premier est un mode passif, dans lequel l'eau est générée en exposant un lit MOF à l'air atmosphérique pendant la nuit lorsque l'humidité relative est à son maximum18,19,20,21. Pendant la journée, lorsque l'humidité relative est minimale, la chaleur générée par la lumière du soleil est utilisée pour désorber l'eau du MOF où elle est ensuite condensée sur les parois environnantes du dispositif passif. Le mode passif est en fait un cycle d'adsorption-désorption de 24 h et ses performances dépendent de la capacité d'absorption du MOF utilisé à une HR donnée. Lors de l'utilisation de MOF-801 (capacité d'absorption d'eau de 37 % en poids à 30 % d'humidité relative), un appareil passif idéal fonctionnant à 100 % d'efficacité donnerait 588 mLH2O kgMOF-801-1 d-1 à 30 % d'humidité relative18,19,20,21, 22. Les valeurs de génération d'eau rapportées vont de 100 à 300 mLH2O kgMOF-801−1 j−1, ce qui signifie que le dispositif passif fonctionne à une efficacité de <51 % de sa capacité. Pour obtenir une production d'eau adaptée aux besoins quotidiens d'une personne (≥3,5 L), il faut utiliser beaucoup plus de matériel (par exemple, 12 à 35 kg de MOF-801). Ceci a des conséquences sur la géométrie de l'enceinte du dispositif et sur la taille des concentrateurs en verre nécessaires à l'étape de désorption du cycle. Par exemple, pour générer 3,5 L d'eau à 68 % d'humidité relative plus élevée, la surface de l'enceinte physique d'un dispositif passif à un ou deux étages devrait être de 10,3 ou 4,54 m2, respectivement, ce qui est tout simplement trop grand et pas pratique18,19,20,21.

Le deuxième mode de fonctionnement est actif, dans lequel l'eau est générée en continu à partir de l'air via plusieurs cycles d'adsorption-désorption se produisant au cours d'une journée donnée23. En mode actif, la phase d'adsorption commence par forcer l'air à travers le lit de matériau à l'aide d'un ventilateur pendant une période de temps définie. La désorption par une source de chaleur supplémentaire se produit à tout moment pour libérer l'eau captée et un système de compression de vapeur-réfrigération est utilisé pour condenser la vapeur d'eau. Le mode actif dépend de la capacité dynamique en eau du MOF utilisé, qui, à son tour, a un impact sur le taux de cycle et la quantité d'eau générée quotidiennement23. Les dispositifs actifs signalés peuvent générer jusqu'à 1,3 LH2O kgMOF−1 j−1 à 32 % d'humidité relative et 27 °C, une quantité quatre fois supérieure à celle qui peut être obtenue par un dispositif passif dans les mêmes conditions23. Bien qu'il s'agisse d'une amélioration significative par rapport au mode de fonctionnement passif, la production d'eau reste insuffisante par kgMOF utilisé pour répondre aux besoins de consommation quotidiens.

Ici, nous rapportons l'ingénierie de conception d'un dispositif de collecte d'eau utilisant le MOF-801 qui étend les modes de fonctionnement au-delà du passif et de l'actif à la «récupération adaptative de l'eau» (Fig. 1). Ce mode de fonctionnement s'appuie sur le mode actif précédent dans lequel l'appareil effectue plusieurs cycles de collecte d'eau (WHC ; parfois simplement appelés « cycle ») par jour, mais la différence essentielle étant que le mode adaptatif optimise la synchronisation et l'efficacité. de chaque WHC en fonction des conditions environnementales externes en temps réel. Dans des expériences d'évaluation des performances dans un climat désertique et aride (17 à 32 % d'humidité relative), le dispositif adaptatif a enregistré une augmentation > 169 % de la production d'eau (3,5 LH2O kgMOF-801−1 j−1) par rapport au plus performant, dispositif actif signalé (0,7–1,3 LH2O kgMOF−1 j−1 à 10–32 % HR), une consommation d'énergie inférieure (1,67–5,25 kWh LH2O−1) et un gain de temps en nécessitant près de 1,5 cycles de moins par jour qu'un homologue dispositif actif23. De plus, nous démontrons la capacité du dispositif adaptatif à produire de l'eau de manière continue et constante sans perte de performance après plus d'un an de fonctionnement. Enfin, une analyse complète de l'eau par panel a été effectuée pour évaluer puis certifier que l'eau produite répondait aux normes nationales de consommation d'un pays potentiel adoptant la technologie de collecte de l'eau (la Jordanie).

un schéma du dispositif de collecte d'eau détaillé ici, qui est composé de trois compartiments modulaires : un compartiment d'admission d'air qui abrite un filtre à air, un ventilateur et un radiateur électrique ; compartiment de sorption qui contient l'adsorbant MOF-801 sur des plateaux doublés d'aluminium ; et un compartiment de condensation qui contient un condenseur et un entonnoir de collecte d'eau. b Photographies du dispositif de collecte d'eau avec des étiquettes sur différents composants critiques.

Pour étendre la portée de la collecte d'eau à base d'adsorbant, nous avons construit un dispositif modulaire à trois compartiments qui s'appuie sur le mode de fonctionnement actif. Comme cela sera démontré, la conception joue un rôle important dans l'amélioration des performances du processus de collecte de l'eau. Le premier compartiment, appelé compartiment d'admission d'air, contient un filtre à air qui empêche les particules solides de taille > 10 nm de pénétrer dans l'appareil et un ventilateur pour pousser l'air extérieur à travers l'appareil (Fig. 1a). Un radiateur électrique a été placé à côté du ventilateur de sorte que pendant la phase de désorption d'un cycle donné, l'air chauffé puisse fournir l'énergie nécessaire pour libérer l'eau adsorbée des pores du MOF et transporter cette vapeur d'eau désorbée à une capacité plus élevée vers le condenseur. En effet, l'air a une teneur maximale en eau de 130 g m−3 à 60 °C et 17,3 g m−3 à 20 °C, donc, chauffer l'air conduit à une multiplication par plus de sept de la capacité de l'air à transporter l'eau désorbée vapeur24. Le premier capteur d'humidité relative et de température a été placé devant le radiateur électrique pour mesurer l'air avant qu'il ne traverse le matériau MOF (voir la note complémentaire 1).

Le deuxième compartiment, appelé compartiment de sorption, était relié directement au compartiment d'admission d'air en série et contenait huit plateaux (avec de la place pour en ajouter d'autres) placés en parallèle au flux d'air (Fig. 1). Chaque plateau était doublé d'aluminium (2 mm d'épaisseur) pour augmenter le transport de chaleur et faciliter la désorption de l'eau. L'aluminium a une conductivité thermique beaucoup plus élevée (KAl = 205 W m−1 K−1 contre Kacrylic = 0,2 W m−1 K−1) et, lors de l'application de la loi de Fourier, aura une conductivité thermique 1000 fois plus élevée pour atteindre le même différence de température par rapport à l'acrylique25. Pour cet appareil, le MOF-801 a été choisi en raison de sa forte absorption d'eau de 22,5 et 37 % en poids à 10 et 30 % d'humidité relative, respectivement, et de son point d'inflexion α approprié (P/P0 = 0,07) qui met en évidence la capacité du matériau à adsorber l'eau dans les environnements arides22. De plus, l'adsorption d'eau par MOF-801 est entièrement réversible sans hystérésis observée lors de la désorption et son enthalpie d'adsorption d'eau douce de 60 kJ mol-1 signifie qu'elle n'encourt pas une grande pénalité énergétique lors de la régénération (voir la note supplémentaire 2)22. Le compartiment de sorption a été construit pour contenir de 100 g à 10 kg de MOF-801 pour les mesures de performance et dispose de deux capteurs placés en haut et en bas.

Le troisième compartiment, appelé compartiment de condensation, était relié directement au compartiment de sorption et contenait un condenseur qui sert d'évaporateur d'un plus grand cycle de compression de vapeur-réfrigération. Le condenseur est inséré dans un entonnoir qui sert à recueillir l'eau liquide condensée et à la transporter vers l'unité de minéralisation et de filtration située en dessous (Fig. 1). Un trou de sortie de 5 mm a été incorporé au fond de ce compartiment pour éviter toute contre-pression, perte de friction ou chute de pression. De plus, ce trou assure non seulement un flux continu d'air chaud entrant, mais force également l'eau condensée vers l'unité de minéralisation et de filtration. Le compartiment de condensation a un capteur qui est placé avant le condenseur pour prendre des mesures d'humidité relative et de température de l'air après qu'il a été exposé au lit MOF-801 (Fig. 1b).

Après avoir construit le dispositif, nous avons ensuite cherché à tester ses performances en générant de l'eau à faible HR via un mode de fonctionnement actif. Un cycle actif de récupération d'eau (WHC) a été défini comme suit : phase d'adsorption de 40 min (une phase d'adsorption est définie comme une simple extraction d'air par le ventilateur de l'environnement extérieur à travers les trois compartiments) suivie d'une phase de désorption de 20 min (une phase de désorption est définie de la même manière que la phase d'adsorption mais avec le chauffage électrique allumé) qui a été répétée deux fois, à quel point la phase de régénération a été effectuée avant de redémarrer le WHC suivant (la régénération est définie comme 15 min de flux d'air sans chaleur, 10 min avec pas de refroidissement du condenseur pour récupérer les gouttelettes d'eau, et 5 min sans ventilateur pour équilibrer l'appareil avant de démarrer le WHC suivant). Il est à noter que les délais pour chaque phase ont été conclus sur la base de mesures préliminaires qui ont fourni des indications visuelles de la production d'eau en fonction du temps (voir la note complémentaire 3). Sur la base de cette définition WHC active, notre dispositif de collecte d'eau a été examiné dans une gamme de conditions environnementales (10 à 70 % d'humidité relative et 15 à 35 °C) et s'est avéré capable de produire 1,2 à 2,6 L d'eau par jour avec une consommation d'énergie de 3–7 kWh L−1 (voir la note complémentaire 3).

L'importance de l'utilisation des MOF pour une collecte d'eau atmosphérique fonctionnelle et efficace est leur capacité à concentrer efficacement la vapeur d'eau dans l'air, ce qui entraîne une augmentation du point de rosée13,14,15. Il est important de souligner ici que la littérature antérieure s'est concentrée exclusivement sur l'humidité relative comme base de la production d'eau sans tenir compte de l'effet de la température9,10,11,18,19,20,21. En fait, pour les processus de collecte d'eau atmosphérique, l'humidité relative et la température doivent être prises en compte à travers la valeur du point de rosée. En effet, le point de rosée reflète la quantité réelle d'eau dans l'air à un moment donné et, par conséquent, toutes les discussions ultérieures s'appuieront sur le point de rosée comme base de la production d'eau. Ce concept est facilement visualisé lors du traçage des données de désorption du capteur dans le compartiment de condensation pour les essais de notre appareil à base de MOF-801 sur un graphique psychrométrique à 101,3 kPa. Comme le montre la Fig. 2, lorsque l'appareil fonctionne dans des conditions extérieures de 30 % HR et 22 °C, le point de rosée correspond à 3,6 °C. Une fois la phase d'adsorption terminée, pour initier la désorption de l'eau des pores du MOF-801, un chauffage a été appliqué pendant 10 min, entraînant une augmentation du point de rosée à 8,3 ° C. De plus, 10 minutes supplémentaires de chauffage ont conduit à un point de rosée encore plus élevé de 11,2 °C. Cette augmentation apparemment faible du point de rosée a un impact important sur la consommation d'énergie du condenseur par rapport au refroidissement direct de l'air sans utiliser le MOF-801 (c'est-à-dire une réduction de 55 %) (voir la note complémentaire 3). Tout échauffement supplémentaire au-delà de ce point est superflu et peut être considéré comme une perte d'énergie car un tel échauffement n'entraîne pas d'augmentation supplémentaire du point de rosée et signale ainsi la fin de la phase de désorption (20 min de chauffage total). Cela pose la question : si les conditions extérieures diffèrent de celles mesurées ici, quel impact cela a-t-il sur le temps prescrit pour réaliser les phases d'adsorption et de désorption d'un WHC donné ? En effet, il est aisé d'imaginer que ces phases de sorption du dispositif ne sont pas adaptatives ni optimisées à une large gamme de conditions.

La réponse du compartiment de condensation pour la phase de désorption d'un WHC indiquée sur un graphique psychrométrique à un point de départ dont les conditions environnementales étaient de 30 % HR et 22 °C (bleu). L'optimisation du chauffage pendant 10 (vert) et 20 min (orange) augmente le point de rosée de 4,7 et 7,6 °C, respectivement. Cette augmentation du point de rosée a un impact important sur la consommation électrique du condenseur. Les données source sont fournies sous la forme d'un fichier de données source.

En nous basant sur les limites du mode actif, nous avons alors cherché à développer un troisième mode de fonctionnement, appelé « Adaptive Water Harvesting ». Le concept fondamental de ce mode adaptatif est de mesurer l'humidité relative et la température de l'environnement extérieur et de les combiner par la valeur du point de rosée. Le dispositif de collecte d'eau a ensuite été programmé pour lire ce point de rosée mesuré en temps réel et ordonner à ses opérations de phase d'adsorption et de désorption de réagir en fonction de cette valeur. En principe, cela produira la plus grande quantité d'eau parce que le taux de cycle est adaptable et maximisé pour la productivité par temps de d.

La première étape du développement du dispositif adaptatif consistait à comprendre le temps nécessaire au MOF-801 (400 g) pour atteindre la pleine saturation dans n'importe quelle condition environnementale donnée. Pour ce faire, un processus de désorption complet a été mené pour le MOF-801 en forçant de l'air chaud à 80 ° C à travers le compartiment de sorption pendant 2 h. Le MOF-801 a ensuite été exposé à l'air dans des conditions sévères (35 à 40 °C et 15, 18 et 26 % d'humidité relative) et la réponse du point de rosée au niveau du compartiment du condenseur a été enregistrée. Comme le montre la figure 3a, le point de rosée diminue jusqu'à une valeur d'état stable en fonction du temps avant de revenir régulièrement à une valeur basée sur les conditions environnementales externes (voir la note complémentaire 4). Étant donné que la différence entre les valeurs de point de rosée de départ et d'équilibre reflète la quantité d'eau adsorbée par le MOF-801, le moment requis pour la phase d'adsorption peut être élucidé. Par exemple, à 26 % d'humidité relative et à une température de point de rosée de 14 °C, l'air a une humidité absolue (c'est-à-dire la quantité d'eau réelle dans l'air) de 11,4 gH2O m−3. Si le temps d'adsorption est prolongé à 51 min, une valeur de point de rosée à l'état d'équilibre de 3,4 °C est atteinte avec une humidité absolue de 5,29 gH2O m-3, ce qui correspond à 300 gH2O adsorbés dans le MOF-801 pendant ce temps (Fig. 3a). En réduisant le temps d'adsorption à 21 min, qui est le début de la valeur du point de rosée à l'état d'équilibre (à 21 min le point de rosée = 5,1 °C), puis par le même raisonnement, 280 gH2O sont adsorbés dans le MOF-801. Bien qu'il s'agisse de 7 % de quantité d'eau adsorbée en moins, la différence de temps est significative. De plus, les débuts des valeurs de point de rosée à l'état d'équilibre pour les mesures à 18 et 15 % HR ont également été identifiés par rapport au temps (17,5 et 15 min) et corrélés à la quantité d'eau adsorbée (220 et 180 gH2O, respectivement). Nous notons que la fermeture de la sortie de 5 mm dans le compartiment de condensation force l'air à retourner dans le compartiment d'admission d'air, entraînant une augmentation de 12 à 27 min du temps d'adsorption. Comme le profil de l'isotherme de sorption d'eau pour le MOF-801 (encadré Fig. 3a) indique que la saturation totale de l'absorption se produit à env. 40 % HR, les HR mesurées dans cette expérience fournissent une représentation satisfaisante des performances d'adsorption du matériau. À partir de ces données, un algorithme a été développé pour garantir que la phase d'adsorption du WHC fonctionne en utilisant le temps d'adsorption minimal requis pour atteindre le début du point de rosée à l'état d'équilibre dans toutes les conditions environnementales (voir la note supplémentaire 4).

a La réponse du point de rosée du compartiment de condensation pour la phase d'adsorption dans un WHC. Le temps d'adsorption relatif nécessaire pour une gamme de conditions environnementales est indiqué : 15 (cercles violets), 18 (carrés verts) et 26 % HR (triangles bleus). Ces mesures d'adsorption ont été réalisées sur une plage de température de 35 à 40 °C. L'encart est l'isotherme de sorption d'eau pour MOF-801 à 25 ° C avec la capacité d'absorption d'eau mise en évidence en fonction de ces mêmes conditions environnementales. b La réponse du point de rosée de la phase de désorption en fonction du temps de chauffage relatif enregistré dans le compartiment de condensation pour diverses conditions environnementales : 14 (étoiles oranges), 30 (carrés roses), 34 (triangles bleus) et 45 % HR (cercles violets) . Ces expériences de désorption ont été menées sur une plage de température de 20 à 25 °C. Les données source sont fournies sous la forme d'un fichier de données source.

La surveillance du moment de la phase de désorption est relativement simple. Le dispositif a été préparé pour cette mesure en effectuant une phase d'adsorption pour s'assurer que le MOF-801 (400 g) était complètement saturé en eau. Au début de la phase de désorption et en surveillant le capteur placé au niveau du compartiment de condensation, le MOF-801 a libéré de la vapeur d'eau de ses pores en observant le point de rosée de l'air augmenter jusqu'à un maximum. Atteindre ce maximum a finalement signalé la fin de la phase de désorption, moment auquel une diminution progressive a été observée jusqu'à ce que cette valeur de point de rosée interne soit équivalente à la valeur de point de rosée externe (Fig. 3b). Nous notons que la phase de désorption a été testée à basse température (20 à 25 °C) et à humidité relative variable (14, 30, 34 et 45 % d'humidité relative), à partir de laquelle toutes les mesures ont montré le même comportement, mais avec des taux de variation différents. point de rosée. En général, une HR plus élevée entraînait une absorption d'eau plus élevée et nécessitait un temps de désorption plus long. Selon l'isotherme de sorption d'eau du MOF-801, env. 79% de la capacité d'absorption totale est atteinte par 20% HR. Cela signifie qu'à RH> 20%, le moment de la phase de désorption est relativement le même, mais significativement différent à RH <20% (Fig. 3b). Semblable à la phase d'adsorption, lors de la fermeture de la sortie de 5 mm dans le compartiment de condensation, une augmentation de 14 à 32 min du temps de désorption a été observée, ce qui a entraîné une réduction de la production d'eau de 7 à 19 mL cycle-1. À partir de ces mesures, un deuxième algorithme a été développé pour corréler le temps de chauffage aux conditions extérieures (c.-à-d. HR et température) et la puissance (W) du radiateur électrique utilisé (voir la note complémentaire 4).

À l'aide des données d'humidité relative et de température provenant de capteurs positionnés dans l'ensemble de l'enceinte, l'appareil applique les deux algorithmes adaptatifs des phases d'adsorption et de désorption pour contrôler la synchronisation de ces phases en fonction des conditions environnementales externes (c'est-à-dire, l'humidité relative et la température). Pour évaluer les performances de ce mode de fonctionnement adaptatif par rapport au mode actif précédent, nous avons chargé deux appareils identiques avec 400 g de MOF-801 et programmé le fonctionnement de chaque appareil selon les Fig. 26 et 31. Dans les mêmes conditions, les performances des deux appareils en termes d'évolution de l'humidité relative en fonction du temps sont présentées sur la Fig. 4a, b pour un temps total de 14 h couvrant une partie de la journée jusque dans la nuit. Au cours de cette période, les HR externes les plus faibles et les plus élevées ont été mesurées à 19 % et 46 %, respectivement. Fait intéressant, le premier cycle de l'appareil adaptatif avec des conditions externes de 23 % d'humidité relative et de 25 °C s'est avéré 46,5 min plus rapide que l'appareil actif, démontrant sa capacité à s'adapter et à améliorer le taux de WHC.

a Réponse d'humidité relative (HR) pour les dispositifs actifs (orange) et adaptatifs (violet) fonctionnant dans les mêmes conditions environnementales (20 à 46 % HR) pendant une partie arbitraire de la même journée. Le temps de cycle démontre les performances optimisées de l'appareil adaptatif tout au long de la journée avec moins de temps consommé par cycle. b Profil de différence de temps entre les cycles effectués par les dispositifs adaptatifs et actifs avec une HR environnementale changeante tout au long de la journée. À mesure que l'humidité relative de l'environnement augmente (bleu), la différence de temps de cycle adaptatif et actif diminue (vert). c Les principes conceptuels qui sous-tendent les différences de taux de cyclage pour les dispositifs adaptatifs et actifs. En basse HR, la phase d'adsorption préprogrammée du dispositif actif (orange) est gaspillée après avoir atteint la capacité d'absorption maximale du matériau. Dans le dispositif adaptatif (violet), une fois que la capacité d'absorption maximale du matériau est atteinte pendant la phase d'adsorption, la phase de désorption démarre immédiatement. d Dans une HR élevée, la durée de la phase d'adsorption préprogrammée d'un dispositif actif (orange) est inférieure au temps nécessaire pour atteindre la capacité d'absorption maximale du matériau. Le dispositif adaptatif augmente la durée de la phase d'adsorption pour atteindre la capacité d'absorption maximale du matériau pour produire plus d'eau. L'isotherme d'adsorption d'eau pour le MOF-801 à 25 °C est fournie sous forme d'encarts pour corréler la capacité d'absorption potentielle sous une HR faible (X rouge) ou élevée (Y rouge) avec des taux de cyclage pour les dispositifs adaptatifs et actifs22. Les données source sont fournies sous la forme d'un fichier de données source.

Lorsque l'on considère que la capacité d'absorption d'eau d'un matériau adsorbant est limitée par l'humidité relative indépendamment du temps de cycle prolongé, les avantages du mode de fonctionnement adaptatif deviennent clairs. Dans des conditions de faible HR, le dispositif adaptatif atteindra sa capacité maximale à la HR spécifiée, à quel point il commencera immédiatement la phase de désorption sans consommer plus de temps dans la phase d'adsorption. Cependant, pour le dispositif actif dans ces mêmes conditions, l'adsorbant atteindra plus rapidement sa capacité maximale. Par conséquent, le temps préprogrammé restant pour la phase d'adsorption est perdu. Un raisonnement similaire peut être étendu à la phase de désorption. Une absorption d'eau plus faible par cycle dans le mode de fonctionnement adaptatif nécessite un temps de désorption plus court que le temps de désorption préprogrammé utilisé dans le mode de fonctionnement actif (Fig. 4c).

Au fur et à mesure que l'humidité relative augmente tout au long de la journée et jusque dans la nuit, la différence de taux de cycle devient indiscernable (par exemple, <3 min pour le cycle 9 à 46 % d'humidité relative et 25 °C). En effet, une augmentation de l'humidité relative pendant la nuit augmente l'absorption d'eau du MOF-801, ce qui, à son tour, augmente les horaires des phases d'adsorption et de désorption du dispositif adaptatif (Fig. 4a). Dans des conditions d'humidité relative élevée, le mode de fonctionnement adaptatif atteindra la capacité maximale du MOF-801 et, une fois atteint, démarrera immédiatement la phase de désorption. Dans les mêmes conditions, la durée préprogrammée de la phase d'adsorption du mode de fonctionnement actif ne sera pas suffisante pour atteindre la capacité maximale du MOF-801 entraînant une production d'eau plus faible (Fig. 4d).

De cette comparaison, il a été prouvé que le dispositif adaptatif produisait 26 % d'eau en plus (3,52 LH2O kgMOF-801−1 j−1) que notre dispositif actif (2,6 LH2O kgMOF-801−1 j−1) dans les mêmes conditions climatiques. Par exemple, au cycle 3, la différence d'HR pendant la phase d'adsorption du dispositif adaptatif était de 39 % contre 28 % calculés pour le dispositif actif. Il s'agit d'une augmentation de 36 % de l'adsorption d'eau par le MOF-801 au cours de ce WHC. De même, au cycle 3, la différence d'humidité relative pendant la phase de désorption des dispositifs adaptatifs et actifs était de 37 % et 26 %, respectivement, ce qui représente une augmentation de 45 % de l'eau désorbée par le dispositif adaptatif. En raison de l'augmentation des taux de WHC, le dispositif adaptatif a réalisé une réduction de 44 % de la puissance consommée par WHC dans des conditions de faible HR (20 %) par rapport au dispositif actif (voir la note complémentaire 5). Lors d'un fonctionnement dans des conditions d'humidité relative élevée (46 %), une réduction de 26 % de la puissance consommée par WHC a été obtenue par le dispositif adaptatif par rapport au dispositif actif. Dans l'ensemble, l'appareil adaptatif a consommé 1,67 à 5,25 kWh LH2O−1 en fonction des conditions météorologiques de ce jour spécifique (19 à 46 % HR) et a permis de gagner un temps considérable en nécessitant 1,5 cycles de moins que l'appareil actif. La figure 4b montre la variation du temps de cycle lorsque l'humidité relative varie au cours de la journée.

Comparé à d'autres dispositifs de collecte d'eau à adsorbant, notre dispositif adaptatif à base de MOF-801 réduit la quantité de matériau adsorbant nécessaire pour produire suffisamment d'eau nécessaire pour répondre aux besoins quotidiens de consommation personnelle (3,5 L) de 75 %, 73 % et 57 % en ce qui concerne les dispositifs basés sur des gels super absorbant l'humidité, des films polymères super hygroscopiques et des sels hygroscopiques dans une matrice dérivée d'hydrogel, respectivement (tableau 1)26,27,28. De plus, notre dispositif adaptatif réduit considérablement la consommation d'énergie de 60 % par rapport au dispositif de référence basé sur des films polymères super hygroscopiques tout en conservant une empreinte physique réduite (tableau 1).

Il est bien connu que la production d'eau dépend directement de la quantité de MOF dans les collecteurs d'eau fonctionnant en mode passif. Cependant, la dépendance directe pour le mode de fonctionnement actif n'est pas claire et n'a pas encore été prouvée en raison des limitations de la taille du compartiment et des exigences de consommation d'énergie résultant de l'augmentation de cette taille. Pour évaluer cette dépendance dans le mode de fonctionnement adaptatif, une expérience de contrôle a été réalisée dans laquelle la sortie de production d'eau était corrélée à la quantité de MOF-801 chargée dans l'appareil. Plus précisément, l'appareil a été progressivement chargé avec MOF-801 à partir de 0 g (appareil vide) à 100, 200 et 400 g et a ensuite fonctionné dans des conditions environnementales contrôlées de 20, 30 et 40 % HR. La production d'eau pour l'appareil chargé (ou non) avec chaque quantité a été mesurée trois fois pendant 24 h pour chaque condition climatique contrôlée avec la sortie moyenne présentée dans la Fig. 32 supplémentaire. À 50 % HR et 400 gMOF-801, l'appareil a produit 870 mLH2O par rapport à 420 et 190 mLH2O lors de l'utilisation de 200 et 100 gMOF-801, respectivement. Lorsque l'appareil était vide (0 g de MOF-801), le condenseur était réglé sur 8–11 °C (c'est-à-dire le point de rosée lors de l'utilisation du MOF ; Fig. 2), ce qui entraînait une production d'eau < 2 mL. Une tendance similaire a été observée pour les autres conditions mesurées et la dépendance de la quantité de MOF sur la production d'eau a été établie.

Sur la base de cette expérience, notre appareil nécessite environ 1,6 kgMOF pour produire suffisamment d'eau pour répondre aux besoins de consommation personnelle, ce qui est nettement inférieur à ce qui est nécessaire pour les dispositifs de collecte d'eau actifs à base de MOF signalés (≥2,9 kgMOF requis) et les 12 à 35 kgMOF nécessaire pour que les dispositifs passifs atteignent la même quantité de production (tableau 1). Lorsqu'elle est prise avec des considérations de taille de compartiment, la conception physique de notre appareil est clairement avantageuse.

La stabilité à long terme de l'eau et la capacité de sorption sont des conditions préalables à l'utilisation des MOF dans les applications de collecte d'eau29. Bien que les propriétés physicochimiques des MOF jouent un rôle essentiel dans la détermination de leur durée de vie, l'ingénierie du dispositif doit être considérée comme un influenceur potentiel (positif ou négatif) des propriétés du MOF et de la durée de vie qui en résulte pour son utilisation. Par exemple, l'appareil peut optimiser le transfert de chaleur et le flux d'air, ce qui réduira la pression sur le matériau MOF. De plus, le mode de fonctionnement adaptatif garantit que les taux de cyclage se traduisent par une performance maximale sans étendre la stabilité du matériau. Pour démontrer les performances à long terme de notre appareil adaptatif, nous avons effectué un test de résistance de 24 h dans des conditions extrêmes (22 % d'humidité relative et 25 °C) après que l'appareil eut effectué > 1 000 cycles (équivalent à environ 1 an de fonctionnement). Comme le montre la figure 5a, le dispositif adaptatif a produit une quantité appréciable d'eau par WHC (cycle de 40 ml -1). Pour confirmer la stabilité structurelle du MOF-801, une analyse de diffraction des rayons X sur poudre a été effectuée après la fin de ce test de contrainte, ce qui a confirmé que la cristallinité du MOF-801 était conservée avec le motif de diffraction correspondant à celui simulé du monocristal. structure (voir note complémentaire 6).

a Test d'effort pendant 24 h réalisé dans un environnement contrôlé (20 % HR et 25 °C). Le dispositif adaptatif est constant dans la production d'eau sans perte de performance. b Évaluation des performances en environnement réel pendant une journée complète démontrant les performances adaptatives en fonction des fluctuations jour-nuit des conditions environnementales. c Performance continue en environnement réel pendant une semaine. d Surveillance de la réponse du compartiment de condensation pour démontrer les performances du dispositif adaptatif pendant un mois de fonctionnement continu. Toutes les données ont été collectées sur le dispositif adaptatif après avoir effectué > 1000 cycles, ce qui équivaut à env. 1 an de fonctionnement. Les données source sont fournies sous la forme d'un fichier de données source.

En général, la collecte de l'eau atmosphérique dans les régions désertiques et arides est difficile, voire pratiquement impossible pour les autres technologies conventionnelles de collecte de l'eau, en raison de la faible humidité relative17,30. En effet, les techniques conventionnelles de collecte de l'eau (par exemple, le refroidissement direct de l'air, la condensation, la brumisation) nécessitent une énorme quantité d'énergie pour être efficaces dans ces conditions climatiques8,31. L'attrait de la collecte d'eau à base de MOF réside dans le fait que ces matériaux peuvent capter sélectivement la vapeur d'eau à faible HR, la concentrer et la libérer pour augmenter le point de rosée à des fins de condensation17. Par conséquent, afin de démontrer l'utilité de notre appareil adaptatif, nous avons mené une expérience dans laquelle l'appareil (400 g de MOF-801) a été exposé à l'air naturel du désert à Amman, en Jordanie (17 % d'humidité relative et 25 °C) pendant 24 heures. h.

À partir de cette expérience, nous avons observé que pendant la faible HR du jour du désert, le dispositif adaptatif produisait 52 mL cycle-1, ce qui est significatif compte tenu des conditions climatiques extrêmes du désert. La quantité de production est doublée par WHC pendant les conditions d'humidité relative plus élevée (50 à 60% HR) de la nuit du désert (cycle de 105 ml −1). Pour pousser cette expérience plus loin, nous avons fait fonctionner l'appareil en continu dans un environnement désertique et aride pendant 1 semaine continue qui a été étendue à > 1 mois continu. Comme le montrent les figures 5b à d, le dispositif adaptatif a répondu efficacement aux changements quotidiens des conditions météorologiques et a produit en continu des quantités appréciables d'eau liquide dans des conditions désertiques extrêmes.

Avant que l'eau condensée puisse être utilisée pour la consommation personnelle, l'eau a été filtrée par gravité et minéralisée à travers une colonne contenant des couches alternées (2 à 3 mm) de charbon actif, de sable et de calcaire. Un panel d'analyse complet de l'eau a ensuite été réalisé pour l'eau collectée afin d'évaluer si elle répondait aux normes nationales de consommation de la Jordanie. La première analyse a suivi les méthodes standard pour l'examen de l'eau et des eaux usées (SM 3120-B, 4110-B, 3111-B et 31112-B), dans lesquelles l'identification et la concentration des métaux ont été déterminées par spectroscopie d'émission optique à couplage inductif. Plus précisément, l'eau a été analysée pour : Al (<0,1 ppm), Na (5,7 ppm), Pb (<0,01 ppm), Cd (<0,003 ppm), Cu (<0,05 ppm), Mn (<0,05 ppm), As (<0,01 ppm), Zn (3,58 ppm), Fe (<0,1 ppm), Sb (<0,002 ppm), Mo (<0,01 ppm), Zr (<0,1 ppm), B (<0,1 ppm), Se (< 0,04 ppm), Ba (<0,1 ppm), Cr (<0,02 ppm), Hg (<0,001 ppm), Ag (<0,1 ppm) et Ni (<0,05 ppm). Comme indiqué, tous étaient inférieurs aux limites de spécification des normes de consommation nationales. La teneur en composés organiques volatils a ensuite été déterminée selon les mêmes méthodes standard. Pour cela, les concentrations de benzène (<10 ppm), de xylène total (<20 ppm), de trichloroéthène (<20 ppm), de tétrachloroéthène (<20 ppm), d'éthylbenzène (<20 ppm) et de toluène (<20 ppm) ont été déterminé comme étant inférieur aux limites de spécification. Enfin, une analyse microbiologique (SM 9213 E, 9230 B, 10200, 9215 AB) a été réalisée, dans laquelle la teneur en pseudomonas aeruginosa (<1 unité formant colonie 100 mL−1 ; UFC), en streptocoques fécaux (<1,1 nombre ; 100 mL-1 ; NPP), entérocoques fécaux (< 1,1 MPN 100 mL-1), type et nombre d'algues (non observés) ; et le nombre de plaques hétérotrophes (8,3 × 102 UFC mL−1) ont été déterminés pour répondre aux normes nationales. Les résultats détaillés et la certification de l'eau collectée pour répondre aux normes jordaniennes d'eau potable sont fournis dans la note complémentaire 7.

Sur la base d'une production théorique de 100 appareils, nous avons calculé le coût de production d'un seul appareil chargé avec 1 kg de MOF-801 à env. 625 $ US (voir la note complémentaire 8). En supposant une durée de vie de l'appareil de 10 ans et en prenant la production d'eau moyenne pour l'appareil adaptatif de collecte d'eau par jour (2,65 L), à ce coût de production, le prix hors réseau par LH2O produit devrait être de 6,4 cents US et le coût de l'appareil par jour d'utilisation est de 17 cents américains. Étant donné que le dispositif adaptatif de collecte d'eau consomme 1,67–5,25 kWh L−1 pour produire 1,8–3,5 L LH2O j−1 et que le prix du kWh en Jordanie est d'env. 0,10 USD, le prix sur le réseau par LH2O varie de 0,17 à 0,53 USD, ce qui, bien qu'apparemment élevé, reste inférieur à celui des sources d'eau commerciales (voir la note complémentaire 8).

À condition que le seuil d'humidité relative (> 10% HR), notre dispositif adaptatif puisse fonctionner dans le monde entier, à l'exception notable du cercle polaire arctique et de l'Antarctique, pour répondre aux besoins en eau de plus de 2 milliards de personnes vivant sans accès à une consommation gérée en toute sécurité eau (SMDW)32. Par conséquent, pour placer notre analyse des coûts dans une perspective mondiale, une sélection aléatoire de pays représentant une classification de revenu moyen-inférieur (Maroc et Nigéria) et moyen-supérieur (Mexique et Jordanie) a été choisie. En effet, 31–40, 71–80, 51–60 et 11–20 % de la population du Maroc, du Nigéria, du Mexique et de la Jordanie, respectivement, vivent sans SMDW et pourraient bénéficier de l'accès à cette technologie (Tableau 2)32 . Compte tenu du coût de production ainsi que des coûts d'électricité sur le réseau pour ces pays, notre dispositif adaptatif de collecte de l'eau peut fournir des économies financières allant jusqu'à 49 %, 63 %, 63 % et 46 % des coûts de l'eau au Maroc, au Nigeria, au Mexique, et la Jordanie, respectivement (tableau 2).

Les variations des conditions atmosphériques affectent considérablement le processus de collecte de l'eau en termes d'efficacité de production d'eau et de consommation d'énergie. En développant le mode adaptatif de fonctionnement de la collecte de l'eau, nous démontrons comment un dispositif basé sur MOF pourrait être sensible à l'environnement et adaptatif. Cela a conduit à des progrès considérables en termes de performances, notamment une augmentation de 169 % de la productivité de l'eau et une réduction de 44 % de la consommation d'énergie par rapport aux appareils à la pointe de la technologie. À l'avenir, la maximisation du transfert de chaleur et de masse via une dynamique de flux d'air optimisée (par exemple, lit fluidisé, corps façonnés) conduira à une exploitation plus poussée des propriétés de sorption des MOF pour la collecte pratique de l'eau. En outre, la surveillance des performances des dispositifs adaptatifs de collecte de l'eau sur des périodes de temps supérieures à 1 an fournira un aperçu de la capacité de ces dispositifs à réagir aux multiples changements climatiques saisonniers. Dans l'ensemble, le couplage des résultats de ces futures enquêtes à un mode de fonctionnement adaptatif donnera un dispositif de collecte de l'eau qui peut apporter la sécurité et l'indépendance de l'eau à n'importe qui, n'importe où et n'importe quand.

Le dispositif de collecte d'eau est composé de trois compartiments prismatiques rectangulaires maintenus ensemble par des feuilles acryliques coulées cellulaires (Moden Glas) comme parois. Une feuille acrylique est utilisée comme base de l'appareil (1 × 0,6 m, 5 mm d'épaisseur), qui s'étend sur les trois compartiments. La base a des fentes régulièrement découpées (40 × 5 mm) pour s'adapter aux parois de chaque compartiment en place. Le premier compartiment ("compartiment d'admission d'air") est construit à partir de feuilles acryliques moulées à 4 cellules comme parois (280 × 280 × 200 mm, 5 mm d'épaisseur). La paroi avant interne est doublée de caoutchouc et est reliée aux parois supérieure et latérales par des facettes préconçues qui sont vissées pour permettre un accès facile au compartiment. Ce mur a une fenêtre de 230 × 250 mm découpée par un découpeur laser CO2 (Trotec Speedy 400), qui est équipé d'un filtre à air (M Filter No. K418). Les parois supérieure et latérale restantes sont scellées ensemble via du chloroforme. À l'intérieur du compartiment d'admission d'air se trouvent un réchauffeur électrique à serpentin en cuivre à ailettes en aluminium (500 W) et un ventilateur à courant alternatif monophasé (Orix n ° MRS18-DC-F6) placés consécutivement à côté du filtre du panneau d'air. Le deuxième compartiment («compartiment de sorption») est directement relié au compartiment d'admission d'air et est construit à partir de plaques acryliques coulées à 5 cellules comme suit : (i) paroi partagée avec le compartiment d'admission d'air : 290 × 370 mm avec 8 270 × 8,5 mm fentes découpées au laser pour diriger le flux d'air ; (ii) mur du fond : 290 × 478 mm ; (iii) paroi supérieure : 300 × 400 mm ; (iv) paroi avant : 290 × 478 mm ; et (v) paroi partagée avec le troisième compartiment ("compartiment de condensation") : 290 × 370 mm avec 8 fentes de 270 × 8,5 mm découpées au laser pour diriger le flux d'air. La paroi avant a une doublure en caoutchouc et est reliée aux parois supérieure et latérales par des facettes préconçues qui sont vissées pour permettre un accès facile au compartiment. Les parois supérieure et latérale restantes sont scellées ensemble via du chloroforme. Le compartiment de sorption est composé de 8 plateaux en acrylique coulé à cellules (470 × 360 mm) ayant chacun un revêtement en aluminium (épaisseur 2 mm) pour faciliter le transfert de chaleur. Les plateaux sont maintenus parallèlement au flux d'air par des étagères en acrylique fixées sous des rangées de fentes de flux d'air fixées aux deux parois communes. Le compartiment de condensation est construit à partir de plaques acryliques coulées à 3 cellules (280 × 280 × 200 mm, 5 mm d'épaisseur) et possède un condenseur à ailettes en aluminium à 3 revêtements (250 × 250 mm) logé à l'intérieur. Ce condenseur est logé dans un entonnoir en acier inoxydable (250 × 100 mm) qui permet de recueillir l'eau liquide condensée et de l'acheminer vers l'unité de minéralisation et de filtration située en dessous. Ce condenseur est l'évaporateur d'un plus grand cycle de compression-réfrigération et est donc connecté via un tube en cuivre (1/4 po) à un compresseur de réfrigération (1/3 hp, modèle n° GFF86AA ; Siberia Co.), à deux lignes condenseur à ailettes en aluminium avec ventilateur de refroidissement intégré (250 × 250 mm; 5 W) et un tube d'expansion. Ce compresseur fonctionnait avec du R-134a comme fluide de travail (Schild Refrigerant). Le compartiment de condensation était semi-ouvert à l'atmosphère par un trou de sortie de 5 mm percé dans le fond. Pour surveiller la température et l'humidité relative dans tout l'appareil, 4 trous (20 mm de diamètre) ont été découpés au laser dans les parois suivantes : (i) paroi supérieure du compartiment d'admission d'air dans une position de 70 mm après le réchauffeur ; (ii) paroi avant du compartiment de sorption en positions centrées sur le haut et le bas de cette paroi ; (iii) paroi supérieure du compartiment de condensation dans une position de 70 mm avant le condenseur. Ces trous ont été préparés pour fixer les sondes du capteur (Logitech, RCW800 Wi-Fi). Une sonde de capteur supplémentaire a été utilisée pour surveiller les conditions environnementales externes. L'eau collectée de l'unité de condensation est immédiatement introduite dans une colonne de verre (30 × 150 mm ; l × d) remplie de couches alternées de calcaire, de sable et de charbon actif. L'eau est ensuite filtrée par gravité et minéralisée et recueillie dans une tourie antimicrobienne de 5 L. Des schémas détaillés sont fournis dans la note complémentaire 1.

Les détails de la synthèse et de la caractérisation des MOF sont présentés dans la note complémentaire 1.

Le mode de fonctionnement de la récupération active de l'eau est basé sur un simple cycle d'adsorption-désorption. Dans un fonctionnement typique, le ventilateur et le condenseur, consommant respectivement 54,5 et 184 W de puissance, sont activés pendant 40 min. Cela permet d'exposer le matériau MOF à un flux d'air externe pour faciliter l'adsorption de la vapeur d'eau. Le condenseur a été réglé à une température arbitraire bien en dessous du point de rosée de l'environnement ambiant. Après 40 min, le réchauffeur est activé pendant 20 min pour initier la désorption. Le ventilateur et le condenseur restant actifs, cet étage consomme 239 W de puissance. L'air chauffé atteint 45 °C en moyenne lorsqu'il atteint le compartiment de sorption contenant le matériau MOF. Des gouttelettes d'eau se forment instantanément dès le début de l'étape de désorption du cycle actif. Ceux-ci sont collectés par gravité et filtrés tout au long de l'étape de désorption et dans l'étape d'adsorption du cycle actif suivant. Après 60 min au total (40 et 20 min pour l'adsorption et la désorption, respectivement), un cycle actif est terminé. Théoriquement, 24 cycles actifs peuvent être effectués en 1 j quelles que soient les conditions ambiantes extérieures. Les procédures de mesure détaillées sont fournies dans la note complémentaire 3.

Le mode de fonctionnement de collecte d'eau adaptatif à l'environnement s'appuie sur le mode actif en ce que chaque cycle est une étape d'adsorption et de désorption. Cependant, la différence réside dans le temps et la réactivité de chaque étape. À l'aide de données historiques collectées à partir du dispositif actif, un algorithme a été développé et appliqué au dispositif de collecte d'eau adaptatif à l'environnement en utilisant un microcontrôleur uno R−3 (Arduino), une mini planche à pain (400 points de liaison), des modules à 3 relais (5 V courant continu 1 canal ; Songle) et un capteur numérique externe de température et d'humidité relative (Aosong, n° AM2315). Dans le mode de récupération d'eau adaptatif à l'environnement, l'étape d'adsorption commence avec le ventilateur et le condenseur, consommant respectivement 54,5 et 184 W de puissance, activés pendant une période prescrite en fonction des conditions environnementales externes. La température de consigne du condenseur variait en fonction du point de rosée calculé à partir des conditions environnementales. L'étape de désorption a ensuite commencé en activant le réchauffeur pendant une période prescrite en fonction de l'algorithme adaptatif. L'air chauffé atteint des températures différentes selon les conditions environnementales extérieures. Les gouttelettes d'eau se forment instantanément au début de l'étape de désorption et ont été collectées et filtrées par gravité à travers l'intégralité de l'étape de désorption et dans l'étape d'adsorption du cycle adaptatif suivant. En général, sur l'échelle d'humidité relative, notamment à HR < 20 %, le mode de collecte d'eau adaptatif à l'environnement peut effectuer considérablement plus de cycles (c'est-à-dire générer plus d'eau) que son homologue actif. Les mesures détaillées et les données recueillies sont fournies dans la note complémentaire 4.

Les auteurs déclarent que toutes les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles dans l'article et ses informations supplémentaires ou auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable. Les données sources sont fournies avec ce document.

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Les auteurs sont reconnaissants à la Royal Scientific Society pour le soutien financier de ce travail (KEC). Un soutien supplémentaire a été fourni par MISTI Global Seed Funds et le MIT-Jordan Abdul Hameed Shoman Foundation Seed Fund (n° 0000000093 ; KEC) et l'Alliance of International Science Organizations (ANSO-CR-PP-2020-06 ; KEC et BM) . The Synchrotron-light for Experimental Science and Applications in the Middle East (SESAME ; MS Beamline Nos. 20190028 et 20210003 ; KEC) pour le temps de faisceau et le Dr Mahmoud Abdellatief (SESAME) pour son soutien. Ing. Iyad Al-Dasouqi (RSS), ing. Bara'a Ahmed (RSS), ing. Omar Abu Zaid (RSS), et Eng. Nous remercions Osama Abu Al-Hija (RSS) pour son soutien dans la sécurisation des fournitures et du temps d'instrument ainsi que pour les discussions utiles.

Unité de recherche sur la découverte des matériaux, Centre de recherche avancée, Société scientifique royale, Amman, 11941, Jordanie

Husam A. Almassad, Rada I. Abaza, Lama Siwwan, Bassem Al-Maythalony et Kyle E. Cordova

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Conceptualisation : KEC ; conservation des données et analyse formelle : HAA, RIA et LS ; conception expérimentale, validation et investigation : HAA, RIA, LS et BAM ; administration du projet, acquisition de financement et ressources : KEC et BAM ; projet original : KEC et HAA ; révision et édition : HAA, RIA, LS et BAM Tous les auteurs ont lu et approuvé le manuscrit et ont accepté de le publier.

Correspondance à Kyle E. Cordova.

Un brevet a été déposé : Royal Scientific Society (demandeur de brevet), KEC et HAA (inventeurs), demande PCT n° de série. PCT/JO2022/050012 avec date de priorité le 26 juillet 2021, couvrant plusieurs modes de réalisation de dispositifs de collecte d'eau et des méthodes actives et adaptatives de génération d'eau atmosphérique. KEC est l'un des fondateurs et HAA est un employé de Green Oasis for Research and Development, LLC et AquaPoro Ventures, Ltd., qui sont des sociétés qui poursuivent la commercialisation de la technologie décrite ici. KEC et HAA ne déclarent aucun autre intérêt concurrent. Les autres auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature Communications remercie le(s) relecteur(s) anonyme(s) pour leur contribution à la relecture par les pairs de ce travail. Les rapports des pairs examinateurs sont disponibles.

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Réimpressions et autorisations

Almassad, HA, Abaza, RI, Siwwan, L. et al. Un dispositif à base de MOF adaptatif à l'environnement permet une collecte continue et auto-optimisante de l'eau atmosphérique. Nat Commun 13, 4873 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32642-0

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Reçu : 22 avril 2022

Accepté : 09 août 2022

Publié: 19 août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-022-32642-0

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