Kako do vode iz zraka – što lakše i jeftinije

Iako je formula vode, H2O, prva kemijska formula koja se uči u školi, voda je još uvijek prezagonetna tvar: „Pije vodu kao vo, ne zna što je ha-dva-o“. Tako što bi se moglo reći ne samo za lijenog učenika, nego i za kemičara okićenog ne znam kakvim i kolikim akademskim titulama. Unatoč svim čudima moderne eksperimentalne i teorijske kemije, tajna koja se krije u formuli H2O još nije do kraja otkrivena.

Nije otkrivena zato što se još uvijek ne zna točno kako se molekule H2O povezuju u tekućoj vodi. Još manje se zna na koji se način molekule vode vežu za hidrofilne površine, kakav je mehanizam faznog prijelaza vode iz plinovitog u tekuće stanje, ili – sasvim jednostavno – kako nastaju kapljice rose.

To pitanje nije važno samo za meteorologiju, jer o odgovoru na njega ovisi hoće li ili neće pasti kiša, bilo na prirodni bilo na umjetni način, zasijavanjem oblaka. Još je važniji problem dobivanja vode iz zraka, kondenzacijom vodene pare koja se u njemu nalazi. Stara je to, prastara tehnologija. Još su Grci u antici pisali da se slatka voda može dobiti iz slane tako da se u more stavi voštana posuda: u njoj će se kondenzirati morska vlaga. No ta stara, prastara tehnologija još je i danas vrlo živa. Dvije milijarde ljudi živi u sušnim krajevima, krajevima u kojima nema izvora tekuće vode. Njima preostaje samo da traže vodu duboko pod zemljom ili da je uzimaju iz zraka.

Dobiti vodu iz zraka je lako, jer ima mnogo tvari, sredstava za sušenje plinova – od kalcijeva klorida i sumporne kiseline do silikagela i zeolita – koje na sebe navlače vlagu. No problem nastaje kada vezanu vlagu treba prevesti u tekuću vodu. Da bi se iz vlažnog zeolita dobila voda, treba ga zagrijati na 250 oC, a za to treba utrošiti energiju, toplinu, razumije se.

Velik su korak u tom smjeru napravila osmorica znanstvenika, koji su došli sa svih strana svijeta da rade u američkim i njemačkim institutima. U znanstvenom radu „Evolution of water structures in metal-organic frameworks for improved atmospheric water harvesting“, objavljenom u časopisu Science, bavili su se temom od – na  prvi pogled – posve akademskog interesa. Istraživali su naime mehanizam vezivanja molekula vode (evolution of water structures) u tvari označenoj kao MOF-303 (water-harvesting metal-organic framework #303).

Kemijska formula MOF-303 može se napisati kao [Al(OH)(PZDC)], gdje je PZDC (točnije, PZDC2-) kratica za 1-H-pirazol-3,5-dikarboksilat. Struktura MOF-303 sastoji se od lanaca oktaedara AlO6, koji su povezani molekulama PZDC s drugim takvim lancima. Uslijed toga se između lanaca (AlO6)n  stvaraju kanali pogodni za vezivanje molekula vode. Već sâm pogled na strukturu MOF-303 otkriva oku kemičara za što će se voda vezati. Molekule vode se vežu vodikovim vezama, a one u ovom slučaju mogu nastati samo sa skupinama -OH, što vire iz lanaca (AlO6)n, te sa skupinama N-H pirazolnog prstena molekule PZDC. Ukratko, stvaraju se džepovi za vezivanje molekula vode, od kojih svaki sadrži tri skupine -OH i dvije skupine N-H.

Rješavanjem mnogih kristalnih struktura MOF-303, s većim ili manjim brojem vezanih molekula vode, uz primjenu molekulskog modeliranja, autori spomenutog rada uspjeli su potpuno razjasniti mehanizam djelovanja tog sredstva za dobivanje vode iz zraka. Prva se molekula (I) veže sa tri vodikove veze (jedna veza tipa O-H, dvije tipa N-H), nakon čega se na isti način veže i druga (II) molekula. Treća molekula (III) ulazi u mrežu vežući se za aluminij i već vezanu molekulu vode, dok se četvrta (IV) veže za prve dvije molekule i tako dalje – sve do desete molekule. Njezinim ulaskom nastaje nešto što bismo mogli nazvati najmanjom kapljicom vode.

Zahvaljujući otkrivenom mehanizmu, znanstvenici su napavili još osam sličnih hvatača vode. Oni su nastali kombinacijama dvaju hvatača, MFT-303 i MFT-333, od kojih drugi umjesto pirazola PZDC sadrži furan FDC (2,4-furandikarboksilat). Zahvaljujući najboljoj kombinaciji PZDC i FDC na istom aluminatnom skeletu, postigli su 35-postotnu uštedu u energiji potrebnoj za desorpciju, koja se odvija pri tlaku 1,7 kPa i temperaturi 80 oC. Bit će toga još, i to ne samo za izvlačenje vode iz zraka (water harvesting) u sušnim i pustinjskim krajevima, nego i za klima-uređaje i svemirske stanice.

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekulskog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te, naravno, Bug online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.