نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

برداشت رطوبت اتمسفر با استفاده از چارچوب فلز-آلی بر پایه‌ی آلومینیوم

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
رضا قاسم زاده
آیدا نقوی
فرشته رئوف
گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران
چکیده
با افزایش دمای زمین و کمبود منابع آب شیرین بر روی این کره‌ی خاکی، بخار آب موجود در اتمسفر به یک منبع آب جایگزین تبدیل شده‌است. در دهه‌های اخیر برای برداشت این رطوبت و تبدیل آن به آب شیرین جاذب‌های متنوعی معرفی شده است. چارچوب‌های فلز-آلی (MOFs) بر پایه‌ی آلومینیوم به عنوان دسته‌ای از مواد جاذب، با ویژگی‌های منحصربه‌فرد توجه زیادی را در این مورد به خود جلب کرده‌اند. به دلیل فراوانی فلز آلومینیوم و همچنین دیگر ویژگی‌های آن‌ مانند پایداری بالا در مقابل آب، غیرسمی بودن و در دسترس و ارزان بودن این ماده انتخاب شد. این ساختار‌ها از اتصال یون‌های فلزی با پیونددهنده‌های آلی به صورت شبکه‌هایی با تخلخل و مساحت سطح بالا تشکیل شده‌اند. چارچوب فلز-آلی انتخابی در این مقاله جاذب آلومینیوم فومارات بود که به روش حلال گرمایی سنتز شد. سپس مشخصه‌یابی آن با روش‌های FTIR, XRD, SEM-EDX و BET صورت گرفت. در این مطالعه، آزمایش جذب رطوبت این ساختار با 1 گرم پودر آلومینیوم فومارات در دمای 25-30 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی 80-40  در شهر‌های رشت اندازه­گیری شد. ظرفیت جذب رطوبت در رشت به طور میانگین (mg/g) 4/290 به دست آمد، در حالی که در اردستان با اقلیم خشک‌تر، ظرفیت جذب رطوبت با میانگین (mg/g) 3/116متغیر بود. برای توصیف رفتار جذب آب،  پنج مدل، از جمله لانگمویر،  فروندلیچ، سیپس، دوبینین رادشکوویچ، فرنکل- هالسی-هیل برای ایزوترم جذب رطوبت ارزیابی شدند.به طور کلی، تمامی مدل‌ها برازش مناسبی با داده‌های تجربی نشان دادند، به‌طوری که مقادیر ضریب تعیین (R²)  در رگرسیون خطی بیش از 9/0 بودند. با این حال، تبدیل معادلات ایزوترم غیرخطی به فرم‌های خطی می‌تواند به‌طور ضمنی ساختار خطا را تغییر داده و منجر به نقض مفروضات نرمال بودن و یکنواختی واریانس خطا شود. برای جلوگیری از این نقص، از شش پارامتر آماری دیگر برای ارزیابی خوب بودن نتایج برازش برای مدل‌های مختلف استفاده می‌شود. مطالعات مقایسه نشان می‌دهد که مدل سیپس 3 پارامتری بهترین مدل برای پیش‌بینی ایزوترم‌های بخار آب در  این جاذب است. فرآیند جذب دینامیکی آب روی آلومینیوم فومارات را می‌توان به خوبی با مدل­های  نیروی محرکه خطی و شبه مرتبه دوم توصیف کرد که با در نظر گرفتن رفتار جذب (تک لایه، چندلایه و جذب خوشه‌ای)، توزیع  آب در منافذ مورد بحث قرار می­گیرد که می تواند مرجعی برای تحلیل نظری نسبت جذب فیزیکی و شیمیایی باشد.
کلیدواژه‌ها
جذب
برداشت آب اتمسفر
چارچوب فلز-آلی
آلومینیوم فومارات

موضوعات

[1] Liu X., Wang X., Kapteijn F., Water and Metal–Organic Frameworks: From Interaction Toward Utilization, Chem. Rev., 120(16): 8303-8377 (2020).
[2] Gleick P.H., Water in Crisis: Paths to Sustainable Water Use, Ecol. Appl., 8(3):571-579 (1998).
[3] Van der Bruggen B., Vandecasteele C., Distillation vs. Membrane Filtration: Overview of Process Evolutions in Seawater Desalination, Desalination, 143(3): 207-218 (2002).
[4] Xu W., Yaghi O.M., Metal–Organic Frameworks for Water Harvesting From Air, Anywhere, Anytime, ACS Cent. Sci., 6(8): 1348-1354 (2020).
[5] Shiklomanov I.A., World Water Resources: A New Appraisal and Assessment for the 21st Century, (1998).
[6] Kim H., Rao S.R., Kapustin E.A., Zhao L., Yang S., Yaghi O.M., Wang E.N., Adsorption-Based Atmospheric Water Harvesting Device for Arid Climates, Nat. Commun., 9(1): 1191 (2018).
[7] Bergmair D., Metz S.J., De Lange H.C., Van Steenhoven A.A., System Analysis of Membrane Facilitated Water Generation From Air Humidity, Desalination, 339: 26-33 (2014).
[8] Bilal M., Sultan M., Morosuk T., Den W., Sajjad U., Aslam M.M., Farooq M., Adsorption-Based Atmospheric Water Harvesting: A Review of Adsorbents and Systems, Int. Commun. Heat Mass Transf., 133: 105961 (2022).
[9] Klemm O., Schemenauer R.S., Lummerich A., Cereceda P., Marzol V., Corell D., Fessehaye G.M., Fog as a Fresh-Water Resource: Overview and Perspectives, Ambio, 41: 221-234 (2012).
[10] Aleem M., Sultan M., Hafiz M.A., Bilal M., Hafiz M.U., An Introductory Study on Adsorption Isotherms for Atmosphere Water Harvesting, (2021).
[11] Chen D., Li J., Zhao J., Guo J., Zhang S., Sherazi T.A., Li S., Bioinspired Superhydrophilic-Hydrophobic Integrated Surface with Conical Pattern-Shape for Self-Driven Fog Collection, J. Colloid Interface Sci., 530: 274-281 (2018).
[12] Lee A., Moon M.W., Lim H., Kim W.D., Kim H.Y., Water Harvest Via Dewing, Langmuir, 28(27): 10183-10191 (2012).
[13] Salehi A.A., Ghannadi-Maragheh M., Torab-Mostaedi M., Torkaman R., Asadollahzadeh M., A Review on the Water-Energy Nexus for Drinking Water Production From Humid Air, Renew. Sustain. Energy Rev., 120: 109627 (2020).
[14] Kim H., Yang S., Rao S.R., Narayanan S., Kapustin E.A., Furukawa H., Wang E.N., Water Harvesting From Air with Metal-Organic Frameworks Powered by Natural Sunlight, Science, 356(6336): 430-434 (2017).
[15] Amiri F., Raouf F., Rahimnejad M., Ezoji H., Pirzadeh K., Ghasemzadeh R., Electrochemical Determination of Lead and Copper Ions by Using UiO-66/TiO₂-Carbon Paste Electrode, Iran. J. Chem. Chem. Eng. (IJCCE), 44(2): 391-399 (2025).
[16] Kallenberger P.A., Fröba M., Water Harvesting From Air with a Hygroscopic Salt in a Hydrogel–Derived Matrix, Commun. Chem., 1(1): 28 (2018).
[17] Zhao H., Li Q., Wang Z., Wu T., Zhang M., Synthesis of MIL-101 (Cr) and its Water Adsorption Performance, Microporous Mesoporous Mater., 297: 110044 (2020).
[18] Yilmaz G., Meng F.L., Lu W., Abed J., Peh C.K.N., Gao M., Ho G.W., Autonomous Atmospheric Water Seeping MOF Matrix, Sci. Adv., 6(42): eabc8605 (2020).
[19] An H., Chen Y., Wang Y., Liu X., Ren Y., Kang Z., Li L., High-Performance Solar-Driven Water Harvesting From air with a Cheap and Scalable Hygroscopic Salt Modified Metal–Organic Framework, Chem. Eng. J., 461: 141955 (2023).
[20] Gaab M., Trukhan N., Maurer S., Gummaraju R., Müller U., The Progression of Al-Based Metal-Organic Frameworks–From Academic Research to Industrial Production and Applications, Microporous Mesoporous Mater., 157: 131-136 (2012).
[21] Roa Engel C.A., Straathof A.J., Zijlmans T.W., van Gulik W.M., van der Wielen L.A., Fumaric Acid Production by Fermentation, Appl. Microbiol. Biotechnol., 78: 379-389 (2008).
[22] Tsuruoka T., Furukawa S., Takashima Y., Yoshida K., Isoda S., Kitagawa S., Nanoporous Nanorods Fabricated by Coordination Modulation and Oriented Attachment Growth, Angew. Chem., 121(26): 4833-4837 (2009).
[23] Schaate A., Roy P., Godt A., Lippke J., Waltz F., Wiebcke M., Behrens P., Modulated Synthesis of Zr‐Based Metal–Organic Frameworks: From Nano to Single Crystals, Chem. Eur. J., 17(24): 6643-6651 (2011).
[24] Moumen E., Bazzi L., El Hankari S., Aluminum-Fumarate based MOF: A Promising Environmentally Friendly Adsorbent for the Removal of Phosphate, Process Saf. Environ. Prot., 160: 502-512 (2022).
[25] Jeremias F., Fröhlich D., Janiak C., Henninger S.K., Advancement of Sorption-Based Heat Transformation by a Metal Coating of Highly-Stable, Hydrophilic Aluminium Fumarate MOF, RSC Adv., 4(46): 24073-24082 (2014).
[26] Derakhshani M., Hashamzadeh A., Amini M. M., High Surface Area Mesoporous Alumina Nanosheets and Nanorolls From an Aluminum Based Metal Organic Framework, Ceramics International, 42(15): 17742-17748 (2016).
[27] Alvarez E., Guillou N., Martineau C., Bueken B., Van de Voorde B., Le Guillouzer C., Serre C., The Structure of the Aluminum Fumarate Metal–Organic Framework A520, Angew. Chem. Int. Ed., 54(12): 3664-3668 (2015).
[28] Tannert N., Jansen C., Nießing S., Janiak C., Robust Synthesis Routes and Porosity of the Al-Based Metal–Organic Frameworks Al-Fumarate, CAU-10-H and MIL-160, Dalton Trans., 48(9): 2967-2976 (2019).
[29] Loiseau T., Volkringer C., Haouas M., Taulelle F., Férey G., Crystal Chemistry of Aluminium Carboxylates: From Molecular Species Towards Porous Infinite Three-Dimensional Networks, C. R. Chim., 18(12): 1350-1369 (2015).
[30] Feyereisen M.W., Feller D., Dixon D.A., Hydrogen Bond Energy of the Water Dimer, J. Phys. Chem., 100(8): 2993-2997 (1996).
[31] Zhang Z., Li X., Yin J., Xu Y., Fei W., Xue M., Guo W., Emerging Hydrovoltaic Technology, Nat. Nanotechnol., 13(12): 1109-1119 (2018).
[32] Mabuza M., Premlall K., Daramola M.O., Modelling and Thermodynamic Properties of Pure CO₂ and Flue Gas Sorption Data on South African Coals Using Langmuir, Freundlich, Temkin, and Extended Langmuir Isotherm Models, Int. J. Coal Sci. Technol., 9(1): 45 (2022).
[33] Borgohain X., Boruah A., Sarma G.K., Rashid M.H., Rapid and Extremely High Adsorption Performance of Porous MgO Nanostructures for Fluoride Removal From Water, J. Mol. Liq., 305: 112799 (2020).
[34] Cândido N.R., Prauchner M.J., de Oliveira Vilela A., Pasa V.M., The Use of Gases Generated From Eucalyptus Carbonization as Activating Agent to Produce Activated Carbon: An Integrated Process, J. Environ. Chem. Eng., 8(4): 103925 (2020).
[35] Eslek A., Kekevi B., Mert H.H., Mert E.H., Emulsion Templated Polymer Monoliths Containing Cellulose Nanocrystals: Synthesis and Adsorption Properties, J. Appl. Polym. Sci., 139(11): 51802 (2022).
[36] Ayawei N., Ebelegi A.N., Wankasi D., Modelling and Interpretation of Adsorption Isotherms, J. Chem., 2017(1): 3039817 (2017).
[37] Fathi Hasanbarogh A., Ghasemi N., Ezzatzadeh E., Equilibrium Isotherms Studies of Methylene Blue Adsorption by MIL-101 (Cr) Modified with Zinc Oxide Nanoparticles, Nashrieh Shimi va Mohandesi Shimi Iran, 42(1): 157-175 (2023).
[38] Palomba V., Vasta S., Frazzica A., Experimental Characterization of Sorption Thermal Energy Storage Systems, in Recent Advancements in Materials and Systems for Thermal Energy Storage: An Introduction to Experimental Characterization Methods, Springer Int. Publ., Cham, 201-225 (2018).
[39] Mittal H., Al Alili A., Alhassan S.M., Adsorption Isotherm and kinetics of Water Vapors on Novel Superporous Hydrogel Composites, Microporous Mesoporous Mater., 299: 110106 (2020).
[40] Mo Q., Liao J., Zhang Y., Chang L., Han Y., Bao W., Kinetic Analysis on Water Adsorption of Thermally Upgraded Lignite, Fuel Process. Technol., 211: 106603 (2021).
[41] Lovis L., Maddocks A., Tremain P., Moghtaderi B., Optimising Desiccants for Multicyclic Atmospheric Water Generation: Review and Comparison, Sustain. Mater. Technol., 39: e00804 (2024).
[42] Shahwan T., Sorption Kinetics: Obtaining a Pseudo-Second Order Rate Equation Based on a Mass Balance Approach, J. Environ. Chem. Eng., 2(2): 1001-1006 (2014).
[43] Yang R., Jia A., He S., Hu Q., Sun M., Dong T., Zhou S., Experimental Investigation of Water Vapor Adsorption Isotherm on Gas-Producing Longmaxi Shale: Mathematical Modeling and Implication for Water Distribution in Shale Reservoirs, Chem. Eng. J., 406: 125982 (2021).
[44] Shen W., Li X., Lu X., Guo W., Zhou S., Wan Y., Experimental Study and Isotherm Models of Water Vapor Adsorption in Shale Rocks, J. Nat. Gas Sci. Eng., 52: 484-491 (2018).