Atmospheric water harvesting using nanomaterials - Leivas, Fernanda Rodrigues (2024)
Pour explorer les mécanismes potentiels de capture de la vapeur d’eau et permettre le développement futur de dispositifs de génération d’eau atmosphérique (AWH), deux approches ont été proposées. La première approche, théorique, a impliqué des simulations de dynamique moléculaire de nanocones de carbone (CNCs) fonctionnalisés pour évaluer leur performance dans la capture de molécules d’eau. La deuxième approche, expérimentale, a utilisé des membranes d’alumine poreuse avec divers traitements pour enquêter sur la façon dont différentes mouillabilités et humidités relatives influencent les propriétés d’adsorption et de transport des films d’eau condensés à l’intérieur des pores. Dans la nature, certains organismes capturent l’eau de la vapeur en utilisant une combinaison de propriétés hydrophobes et hydrophiles. Les CNCs sont naturellement hydrophobes, mais la fonctionnalisation peut introduire des régions hydrophiles. Bien que les propriétés chimiques soient cruciales, la forme physique joue également un rôle significatif. La forme conique a été sélectionnée car elle présente une barrière énergétique plus faible pour les molécules entrant dans le pore par rapport aux formes cylindriques. La partie théorique de ce travail se concentre sur l’évaluation de la performance des CNCs dans la capture d’eau dans deux conditions : une où le pore est exposé à la vapeur d’eau et l’autre à l’eau liquide. Dans le cas de la vapeur, les régions hydrophiles condensent l’eau et la dirigent dans un flux linéaire, optimisant ainsi la capture. Nous avons également identifié un niveau d’attraction optimal qui maximise l’efficacité de capture. Pour l’eau liquide, le principal mécanisme entraînant les molécules à travers le nano canal était le gradient chimique, les anneaux hydrophiles renforçant encore le flux. Lorsque plusieurs nanocones étaient combinés dans le scénario de vapeur, nous avons observé qu’une porosité élevée entraînait une concurrence entre les pores, diminuant l’efficacité des pores individuels. Pour l’étude expérimentale, une membrane d’alumine poreuse a été utilisée, un matériau largement employé dans les membranes céramiques en raison de ses nombreux avantages. Sa nature hydrophile facilite les études macroscopiques d’adsorption d’eau. La membrane a été placée dans une chambre contrôlée en humidité, et une différence de potentiel a été appliquée à travers les pores. L’interaction de l’eau adsorbée avec les parois des pores a généré une réponse ionique, mesurée comme un signal électrique. Cette réponse a été enregistrée à différents niveaux d’humidité relative et de mouillabilité, cette dernière étant atteinte grâce à divers prétraitements de la membrane. Une corrélation a été trouvée entre la quantité d’eau capturée et la réponse électrique : lorsque l’un augmente, l’autre augmente également. En utilisant l’isotherme de Polanyi et en étudiant la conductivité, nous avons trouvé des preuves que les premières monocouches adsorbées peuvent expliquer les faibles réponses électriques à des niveaux d’eau adsorbée plus bas. Ces investigations, explorant différents aspects du même problème, contribuent à une compré- hension plus profonde des nanomatériaux dans l’avancement des technologies AWH. Ce travail aborde les défis mondiaux de la rareté de l’eau et de la lutte contre le changement climatique.