(57)【要約】  本発明により、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、および該システムを用いて周囲空気から水分を捕捉するための方法が提供される。当該システムおよび方法は、周囲空気から水分を吸着する吸着材を用いる。例えば、当該吸着材は有機金属構造体であってもよい。当該システムおよび方法により、吸着した水分は水蒸気の形態で脱着され、この水蒸気は液体水に凝縮され回収される。回収した液体水は飲料水としての使用に適している。
2021512792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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であって、
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。
【請求項２】
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、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
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、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。
【請求項４】
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、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
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、請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
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、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記断熱区画に前記断熱材が密に充填されている、請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記断熱材が、熱伝導率の低い材料である、請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
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、請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
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、請求項１〜９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
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、請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
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、請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
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、請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
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、請求項１〜１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
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、請求項１〜１４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６】
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、請求項１〜１５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１７】
完全パッシブシステムである、請求項１〜１４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１８】
請求項１〜１７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。
【請求項１９】
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。
【請求項２０】
前記液体水を回収することをさらに含む、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２１】
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、請求項１８〜２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
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１８〜２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
前記遊離水蒸気が、凝縮器を用いて凝縮される、請求項１８〜２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
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、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
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、請求項１８〜２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
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、
太陽エネルギーのみ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わずに、自然冷却のみによって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。
【請求項２７】
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。
【請求項２８】
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。
【請求項２９】
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。
【請求項３０】
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。
【請求項３１】
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。
【請求項３２】
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。
【請求項３３】
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。
【請求項３４】
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。
【請求項３５】
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。
【請求項３６】
先行する請求項に記載のシステム、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、ならびに前記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を特徴とする、システム、ユニットまたは筐体。
【請求項３７】
前記活性化合物が、アルミニウムをベースとする有機金属構造体を含む、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記活性化合物がＭＯＦ−３０３を含む、請求項３６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
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。
【０００２】
本開示は、全体として水分捕集に関し、より具体的には周囲空気から水分を捕集するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
世界の水需要は増加の一途をたどっており、２０３０年までに現在使用されている新鮮な水の４分の１が不足すると見込まれている。砂漠や乾燥地帯で新鮮な飲料水へのアクセスを可能にすることは重要な課題であり、また、社会経済的な発展とも緊密な関係がある。陸地に囲まれている地域やインフラが限られた地域では水不足への対処が難しく、成熟した浄水技術、すなわち、逆浸透法や多段フラッシュなどの技術を導入することは困難である。幸いなことに、このような地域においては、年間を通して太陽エネルギーが豊富であるため、これを利用して、送電網に依存しない分散型の飲料水製造を実現できる可能性がある。
【０００４】
地球上の水の大部分は、塩濃度が高かったり、氷の形態で閉じ込められているため、利用することができない。新鮮な水は、ほとんどが湖や川から採取されるが、世界中の多くの乾燥地帯では必ずしも利用できるとは限らない。大気中の水分は自然資源の１つであり、総量は１３，０００兆リットルで、湖や川の水の１０％に相当するが、まだ実際に捕集されていない。現在、霧捕捉システムや結露によって大気中の水分を捕集する方法に関心が寄せられているが、この方法には、高い水分分圧（相対湿度）の存在、大量のエネルギー投入のいずれかが必要である。
【０００５】
多孔質吸着材を用いた大気水生成装置は、豊富な太陽エネルギーを利用して薄い空気から水分を捕集することができる。通常、大気水生成装置においては、大量の空気を露点温度未満まで冷却する操作が必要であり、相対湿度または周囲温度が低下すると、それに応じて結露させるのに消費される熱量が大幅に増加する。さらに、乾燥地域の昼間の状態（１０％ＲＨ、３５℃）では露点温度が零下となる場合もあるため、薄い空気から水分を凍結して捕集するには大量のエネルギーが必要である。したがって、このようなシステムを世界中の乾燥砂漠地域に設置することは難しい。
【０００６】
大気水分捕集器は、乾燥高温地域において、水分を捕集して、遠隔地世帯に送水することができる有望な代替策である。このような大気水分捕集器は、湿潤空気を捕捉し、極微量のエネルギーの利用により、捕捉した水分を遊離することができる活性化合物を利用して作動する装置である。この活性化合物は、夜間に周囲空気から水分を捕捉する。昼間は、太陽放射を受けて捕捉した水分を遊離する。遊離した水分は、エネルギーの投入を伴わずに、あるいは少量のエネルギー投入によって、大気水分捕集器の凝縮器で凝縮される。この凝縮水は、水回収システムでさらに回収される。活性化合物の特性を選択することによって、低ＲＨの条件下でも効率的な、太陽熱駆動の大気水分捕集方法を実現することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
いくつかの態様において、大気中の湿潤空気から飲用、都市用および農業用の水を製造するための方法、装置およびシステムが提供され、いずれも水分捕捉材料を含むことを特徴とする。実施形態としては、個人用のモバイル水分捕集装置、ならびに、住宅用および都市用、農業用および食品用、さらに、月および火星での実用化を含めた宇宙／地球外での用途に適した、送電網を使用しない水分捕集装置が挙げられる。
【０００８】
いくつかの実施形態において、前記水分捕捉材料は、金属酸化物構造体（ＭＯＦ）などの活性化合物を含む。いくつかの変形において、前記ＭＯＦの金属部分は、通常、遷移金属イオン、アルカリ土類金属イオン、またはランタニドイオンであり、前記ＭＯＦの有機リンカーは、通常、ピリジル、ポリアミン、カルボキシラートなどの、Ｎ−ドナー原子またはＯ−ドナー原子を有する多座配位性分子である。様々なＭＯＦが当技術分野で公知であり、例えば、アルミニウムをベースとするＭＯＦ（例えば、US2012/0055880; US8,648,002; US9,102,691; Norbert Stock, Metal-Organic Frameworks: Aluminum-Based Frameworks, pub online 11Dec2014, DOI: 10.1002/9781119951438.eibc219）などが挙げられ、好適なＭＯＦは、本開示の基準に基づいて容易に選択される。
【０００９】
いくつかの態様において、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および／または大気水分捕集装置が提供される。いくつかの実施形態において、前記システムは、水分吸着ユニットと水分捕集筐体とを含む。前記水分吸着ユニットは、前記水分捕捉材料を含み、前記水分捕集筐体の内部に配置されている。いくつかの変形において、前記水分捕集筐体は、前記水分捕捉材料から遊離した水蒸気を凝縮して、液体水を生成する。別のいくつかの変形において、前記システムは、凝縮器をさらに含む。この凝縮器は、前記水分捕捉材料から遊離した水蒸気を凝縮して、液体水を生成するために用いられ、前記水分捕集筐体は、脱着後の遊離水蒸気を保持する役割を担う。
【００１０】
いくつかの態様において、前記システムは、
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。
【００１１】
別の一態様において、活性化合物受け皿を含む水分吸着ユニットが提供され、該活性化合物受け皿は、
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。
【００１２】
別の一態様において、１つ以上の支持壁を含む水分吸着ユニットが提供され、この支持壁は、
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。
【００１３】
別の一態様において、断熱区画を含む水分吸着ユニットが提供され、該断熱区画は、
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。
【００１４】
別の一態様において、支持底板を含む水分吸着ユニットが提供され、該支持底板は、
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。
【００１５】
さらなる別の一態様において、複数のスペーサーを含む大気水分捕集システムが提供され、該複数のスペーサーは、
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。
【００１６】
さらなる別の一態様において、１つ以上の側壁を含む水分捕集筐体であって、該１つ以上の側壁は、
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。
【００１７】
別の一態様において、１つ以上の予冷気流路を含む水分捕集筐体が提供され、該１つ以上の予冷気流路は、
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。
【００１８】
別のいくつかの態様において、底板を含む水分捕集筐体が提供され、該底板は、
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。
【００１９】
さらなる別のいくつかの態様において、凝縮器を含む水分捕集筐体が提供され、該凝縮器は、
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。
【００２０】
一態様において、前述の装置、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、装置、システム、ユニットまたは筐体が提供される。
【００２１】
いくつかの態様において、周囲空気から水分を捕捉することができる大気水分捕集システムが提供される。いくつかの実施形態において、前記システムは、前記水分捕捉材料を含む水分吸着ユニットと、水分捕集筐体とを含む。いくつかの変形において、前記水分吸着ユニットは、断熱材を含む断熱区画と、トレーとを含み、該トレーは、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。前記トレーには、水分捕捉材料が格納されており、この水分捕捉材料は、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。１つの変形において、前記水分捕捉材料と接する前記トレーの底面は、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。別の一変形において、前記水分吸着ユニットの側面は、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。特定のいくつかの変形において、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する。いくつかの変形において、前記水分捕集筐体は透明である。別のいくつかの変形において、前記水分捕集筐体は蓋を備えている。吸着段階では、前記蓋は開いており、前記水分捕捉材料は冷湿な周囲空気と接触して、水分を吸着する。脱着段階では、前記蓋は閉じており、前記水分捕捉材料は太陽放射により加熱され、水蒸気を遊離する。いくつかの変形において、前記水分捕集筐体は１つ以上の側壁を有し、該１つ以上の側壁は、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。前述の実施形態のいずれかと組合せ可能な別の一実施形態において、前記システムは地中に埋められていてもよく、前記水分捕集筐体の１つ以上の側壁は、地中の土と接しており、該１つ以上の側壁は、接している土に伝熱用の面を提供する。
【００２２】
前述の態様のいくつかの実施形態において、前記システムは、前記水分捕捉材料を格納している水分吸着ユニットと、水分捕集筐体と、凝縮器とを含む。このような実施形態において、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いる。ある変形において、前記凝縮器は、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。前記凝縮器は、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。前述のもののいくつかの変形において、前記システムは、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。前述のものの別のいくつかの変形において、前記システムは、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。
【００２３】
別のいくつかの態様において、本明細書に記載の大気水分捕集システムのいずれかを用いて、周囲空気から水分を捕集する方法が提供される。いくつかの実施形態において、前記方法は、
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。
【００２４】
別の一態様において、前記方法は、夜間に、吸着により、前記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を含む。前記水分捕捉材料は、トレーに格納されており、該トレーは、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。前記水分吸着ユニットは、蓋を備えた水分捕集筐体の内部に配置されており、該蓋は夜間は開いている。いくつかの実施形態において、前記方法は、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、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さらに含み、前記水分捕集筐体の前記蓋は昼間は閉じている。前述の一態様のいくつかの変形において、前記方法は、前記液体水を回収することをさらに含む。
【００２５】
前述の複数の態様のいくつかの変形において、前記大気水分捕集システムは完全パッシブシステムである。
【００２６】
本発明は、本明細書に記載された個々の実施形態のあらゆる組み合わせを包含するものであり、それらはすべて本明細書に記載されているものとする。
【００２７】
本明細書に記載されている実施例および実施形態は、単に本発明を説明するためのものである。これらの実施例および実施形態に基づいて、当業者により様々な変形または変更が示唆されるものであり、またそのような変形または変更は本願の精神および範囲ならびに添付の請求項の範囲内に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
添付図面に関連した以下の記載を参照することにより、本出願について理解することができるであろう。
【００２９】
【図１】活性化ＭＯＦ−８０１のＰＸＲＤパターンである。
【００３０】
【図２】活性化ＭＯＦ−８０１のＳＥＭ画像である。
【００３１】
【図３】活性化ＭＯＦ−８０１のＳＥＭ画像（上段）、および活性化ＭＯＦ−８０１の炭素とジルコニウムのＥＤＳ画像（下段）である。
【００３２】
【図４】７７Ｋで測定した活性化ＭＯＦ−８０１の窒素等温線である。ＢＥＴ表面積は５８２ｍ２ ｇ−１である。
【００３３】
【図５】プレスケールアップしたＭＯＦ−８０１サンプル（黒色、実施例）、ＭＯＦ−８０１−Ｐ（赤色）、およびＭＯＦ−８０１−ＳＣ（青色）の水分吸着等温線である。
【００３４】
【図６】様々な温度で測定した、プレスケールアップしたＭＯＦ−８０１の水分吸着等温線である。
【００３５】
【図７】様々な温度で測定した吸着等温線に基づいて、等式Ｓ２、等式Ｓ３を用いて求めたプレスケールアップしたＭＯＦ−８０１の活性化体の特性曲線である。
【００３６】
【図８】活性化ＭＯＦ−８０１の２５℃における等量吸着熱（黒色）および水分吸着等温線（赤色）である。
【００３７】
【図９】２５℃で測定した、スケールアップしたＭＯＦ−８０１の活性化体の実際の水分吸着等温線、および１５℃と８５℃における計算上の水分吸着等温線である。スケールアップしたＭＯＦ−８０１の活性化体から３５ｍｇ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。
【００３８】
【図１０】グラファイトサンプルのＰＸＲＤパターンである。
【００３９】
【図１１】ＭＯＦ−８０１／Ｇの活性化サンプルのＰＸＲＤパターンである。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。２６．５度に出現するピークはグラファイトの（００２）面反射に相当する。
【００４０】
【図１２】活性化ＭＯＦ−８０１／ＧのＳＥＭ画像（上段）、および活性化ＭＯＦ−８０１の／Ｇの炭素とジルコニウムのＥＤＳ画像（下段）である。
【００４１】
【図１３】７７Ｋで測定した活性化ＭＯＦ−８０１／Ｇの窒素等温線である。ＢＥＴ表面積は３８３ｍ２ ｇ−１である。
【００４２】
【図１４】２５℃で測定したＭＯＦ−８０１／Ｇの実際の水分吸着等温線、および１５℃と８５℃における計算上の水分吸着等温線である。
【００４３】
【図１５】２５℃で測定した、スケールアップしたＭＯＦ−８０１およびＭＯＦ−８０１／Ｇの水分吸着等温線を比較したものである。予想された通り、非多孔質グラファイトと混合した場合の水分吸着量は約３３ｗｔ％減少したが、等温線の全体的な形は同じであった。
【００４４】
【図１６】ＭＯＦ−３０３の単結晶構造における非対称単位（原子は等方性で示す）である。分かりやすくするために水素原子は省略してある。カラーコード：Ｃ、灰色；Ｎ、青色；Ｏ、赤色；Ａｌ、シアン。
【００４５】
【図１７】活性化ＭＯＦ−３０３のＰＸＲＤパターンである。
【００４６】
【図１８】活性化ＭＯＦ−３０３のＳＥＭ画像である。
【００４７】
【図１９】活性化ＭＯＦ−３０３のＳＥＭ画像（上段）、および活性化ＭＯＦ−３０３の炭素とアルミニウムのＥＤＳ画像（下段）である。
【００４８】
【図２０】７７Ｋで測定した、スケールアップしたＭＯＦ−３０３の活性化体の窒素等温線である。ＢＥＴ表面積は９８９ｍ２ ｇ−１である。
【００４９】
【図２１】２５℃で測定した、プレスケールアップしたＭＯＦ−３０３の活性化体の水分吸着等温線である。
【００５０】
【図２２】ＭＯＦ−３０３のサイクル実験の結果を示した図である。２５℃で連続して５回繰り返した吸着脱着サイクルを示す。
【００５１】
【図２３】様々な温度で測定した、プレスケールアップしたＭＯＦ−３０３の活性化体の水分吸着等温線である。
【００５２】
【図２４】ＴＧＡにおいて２５℃で相対湿度を変動させて１５０サイクル繰り返し測定した、スケールアップしたＭＯＦ−３０３の活性化体のグラフである。サンプルに４０％ＲＨの窒素気流をパージし、飽和後、８５℃の乾燥した窒素気流で３０分間パージして再生し、次のサイクルを開始した。重量パーセントは、（活性化材料の質量＋吸着水の質量）／（活性化材料の質量）の値として推定した。
【００５３】
【図２５】様々な温度で測定した吸着等温線に基づいて、等式Ｓ２、等式Ｓ３を用いて求めたＭＯＦ−３０３の特性曲線である。
【００５４】
【図２６】活性化ＭＯＦ−３０３の２５℃における等量吸着熱（黒色）および水分吸着等温線（赤色）である。
【００５５】
【図２７】２５℃で測定した、スケールアップしたＭＯＦ−３０３の活性化体の実際の水分吸着等温線、および１５℃と８５℃における計算上の水分吸着等温線である。スケールアップした微結晶性粉末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。
【００５６】
【図２８】ＭＯＦ−３０３／Ｇの活性化サンプルのＰＸＲＤパターンである。２６．５度に出現するピークはグラファイトの（００２）面反射に相当する。
【００５７】
【図２９】活性化ＭＯＦ−３０３／ＧのＳＥＭ画像（上段）、および活性化ＭＯＦ−３０３／Ｇの炭素とアルミニウムのＥＤＳ画像（下段）である。
【００５８】
【図３０】７７Ｋで測定した活性化ＭＯＦ−３０３／Ｇの窒素等温線である。ＢＥＴ表面積は７０１ｍ２ ｇ−１である。
【００５９】
【図３１】２５℃で測定したＭＯＦ−３０３／Ｇの実際の水分吸着等温線、および１５℃と８５℃における計算上の水分吸着等温線である。
【００６０】
【図３２】２５℃で測定した、スケールアップしたＭＯＦ−３０３およびＭＯＦ−３０３／Ｇの水分吸着等温線を比較したものである。予想された通り、ＭＯＦ−３０３と非多孔質グラファイトサンプルを３３ｗｔ％混合した場合の水分吸着量は約３３ｗｔ％減少したが、等温線の全体的な形は同じであった。
【００６１】
【図３３】ゼオライト１３ＸのＰＸＲＤパターンである。
【００６２】
【図３４】７７Ｋで測定したゼオライト１３Ｘの窒素等温線である。ＢＥＴ表面積は６０２ｍ２ ｇ−１である。ゼオライト１３Ｘの活性化体から５３ｍｇ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。
【００６３】
【図３５】２５℃で測定したゼオライト１３Ｘの実際の水分吸着等温線、および１５℃と８５℃における計算上の水分吸着等温線である。ゼオライト１３Ｘの活性化体から５３ｍｇ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て、２５℃における水分吸着容量を測定した。
【００６４】
【図３６】太陽放射−温度応答測定に用いた断熱セルの模式図である。
【００６５】
【図３７】ＭＯＦ−８０１およびＭＯＦ−８０１／Ｇについて、１０００Ｗ ｍ−２の放射束下におけるサンプル温度の上昇を経時的に示したグラフである。比較として、空セルの測定結果も示す。ＭＯＦ−８０１／Ｇの温度上昇において、７０℃で見られる急激な変化は、水分の脱着によるものである。
【００６６】
【図３８】ＭＯＦ−３０３およびＭＯＦ−３０３／Ｇについて、１０００Ｗ ｍ−２の放射束下におけるサンプル温度の上昇を経時的に示したグラフである。比較として、空セルの測定結果も示す。ＭＯＦ−３０３／Ｇの温度上昇において、７０℃で見られる急激な変化は、水分の脱着によるものである。
【００６７】
【図３９】２８５〜２５００ｎｍの範囲で測定した、ゼオライト１３Ｘ、ＭＯＦ−８０１、ＭＯＦ−８０１／Ｇ、ＭＯＦ−３０３、およびＭＯＦ−３０３／Ｇの拡散反射スペクトルである。
【００６８】
【図４０】２８５〜２５００ｎｍの範囲の、ゼオライト１３Ｘ、ＭＯＦ−８０１、ＭＯＦ−８０１／Ｇ、ＭＯＦ−３０３、およびＭＯＦ−３０３／Ｇの吸収スペクトルである。この吸収スペクトルは、図３９に示される拡散反射データから、等式Ｓ４または等式Ｓ５を用いて計算されたものである。
【００６９】
【図４１】ゼオライト１３Ｘ、ＭＯＦ−８０１、ＭＯＦ−３０３、ＭＯＦ−８０１／Ｇ、およびＭＯＦ−３０３／Ｇの水分吸着動態を比較したものである。
【００７０】
【図４２】厚さ１／４”または１／８”のＰＭＭＡの円形細片（直径２０ｍｍ）を用いて測定した、１０００Ｗ ｍ−２の放射束下における温度応答を経時的に示したグラフである。
【００７１】
【図４３】白色コーティング（赤色）または透明コーティング（黒色）を施した、厚さ１／４”のＰＭＭＡの円形細片（直径２０ｍｍ）を用いて測定した、１０００Ｗ ｍ−２の放射束下における温度応答を経時的に示したグラフである。白色コーティングを施したＰＭＭＡサンプルでは、７℃の温度低下が認められた。
【００７２】
【図４４】太陽光吸収コーティング（Ｐｙｒｏｍａｒｋ  ｐａｉｎｔ）を施した、厚さ１／４”のＰＭＭＡの円形細片（直径２０ｍｍ）を用いて測定した、１０００Ｗ ｍ−２の放射束下における温度応答を経時的に示したグラフである。ＰＭＭＡの透明な円板（青色）と、異なる面にコーティングした円板、すなわち、上面コーティングした円板（黒色）および下面コーティングした円板（赤色）を比較したものである。下面にｐｙｒｏｍａｒｋコーティングを施したＰＭＭＡ円板では、１３℃の温度上昇が認められた。ＰＭＭＡの透明な円板と、同じ円板の上面にコーティングを施した場合とで同様の温度変動プロファイルが示されたことから、伝熱の好ましい方向が示唆される。
【００７３】
【図４５】２８５〜３０００ｎｍの範囲における太陽（赤色）と白熱電球（橙色）の分光放射照度に対するＰＭＭＡ（青色）の吸光度を示した図である。ＰＭＭＡは、４００ｎｍ未満および２３００ｎｍより長い波長において高い吸光度を示す。
【００７４】
【図４６】ＰＭＭＡ（淡青色）、プライマーでコーティングしたＰＭＭＡ（薄灰色）、および白色塗料でコーティングしたＰＭＭＡ（橙色）の吸収スペクトルを比較したものである。コーティングしたサンプルでは、いずれも可視領域およびＩＲ領域で吸光度の上昇が認められる。これは、特定のスペクトル範囲において、表面の反射率が高くなることが理由と考えられる。
【００７５】
【図４７】水分吸着ユニットの写真（左）および寸法を記載した概略図（右側）である。
【００７６】
【図４８】寸法を記載した、ケーシング、蓋部および水分吸着ユニットの模式図である。
【００７７】
【図４９】ケーシング内の熱電対および湿度センサーの位置を示した図である。
【００７８】
【図５０】電圧出力読取値を相対湿度に変換する湿度センサーの検量線である。
【００７９】
【図５１】温度センサーの検量線である。
【００８０】
【図５２】図５２Ａは、太陽光の放射照度（赤色）と、色温度２７００Ｋのランプを２つ配置した場合の放射照度（橙色線）とを比較したものである。図５２Ｂは、２つのランプを配置して、ケーシングの蓋部上で１方向に測定した放射照度の分布を、２５個のデータポイントを用いて示した等値線図である（ランプは左下と右上に配置）。図５２Ｃは、２つのランプを配置して、ケーシングの蓋部上で２方向に測定した放射照度の分布を示した等値線図である（ランプは左下と右上または左上と右下に配置）。
【００８１】
【図５３】図５３Ａは、太陽光の放射照度（赤色）と、色温度２７００Ｋのランプを３つ配置した場合の放射照度（橙色線）とを比較したものである。図５３Ｂは、３つのランプを配置して、ケーシングの蓋部上で１方向に測定した放射照度の分布を、２５個のデータポイントを用いて示した等値線図である（ランプは左下、右下、右上に配置）。図５３Ｃは、３つのランプを配置して、ケーシングの蓋部上で４方向に測定した放射照度の分布を示した等値線図である。
【００８２】
【図５４】２つのランプを配置した人工放射束発生器の画像である。
【００８３】
【図５５】吸着材を用いずに（すなわち、空の吸着材格納容器で）水分捕集した際の温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。水分捕集は、低放射束下で７．５時間行った。凝縮は認められなかった。
【００８４】
【図５６】０．２５ｋｇのグラファイトを用いて水分捕集した際の温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。水分捕集は、低放射束下で７．５時間行った。少量の霧形成が認められた。
【００８５】
【図５７】０．５ｋｇのゼオライト１３Ｘを用いて水分捕集した際の温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。水分捕集は、低放射束下で７．５時間行った。６ｇの液体水が回収された。
【００８６】
【図５８】０．５ｋｇのゼオライト１３Ｘを用いて水分捕集した際の温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。水分捕集は、高放射束下で７．５時間行った。２９ｇの液体水が回収された。
【００８７】
【図５９】１．６５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを用いて水分捕集した際の温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。水分捕集は、低放射束下で７．５時間行った。２５ｇの液体水が回収された。
【００８８】
【図６０】１．６５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを用いて水分捕集した際の温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。水分捕集は、高放射束下で７．５時間行った。６３ｇの液体水が回収された。
【００８９】
【図６１】０．８２５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを用いて水分捕集した際の温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。水分捕集は、低放射束下で７．５時間行った。３７ｇの液体水が回収された。
【００９０】
【図６２】０．８２５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを用いて水分捕集した際の温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。水分捕集は、高放射束下で７．５時間行った。７８ｇの液体水が回収された。
【００９１】
【図６３】０．４１２ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを用いて水分捕集した際の温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。水分捕集は、低放射束下で７．５時間行った。２６ｇの液体水が回収された。
【００９２】
【図６４】０．４１２ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを用いて水分捕集した際の温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。水分捕集は、高放射束下で７．５時間行った。３６ｇの液体水が回収された。
【００９３】
【図６５】０．６００ｋｇのＭＯＦ−３０３／Ｇを用いて水分捕集した際の温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。水分捕集は、低放射束下で７．５時間行った。６０ｇの液体水が回収された。
【００９４】
【図６６】０．６００ｋｇのＭＯＦ−３０３／Ｇを用いて水分捕集した際の温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。水分捕集は、高放射束下で７．５時間行った。１０５ｇの液体水が回収された。
【００９５】
【図６７】０．６００ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを用いて水分捕集した際の温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。飽和は、３５％ＲＨ、１５℃の人工気候室で５日間行った。水分捕集は、低放射束下で７．５時間行った。２８ｇの液体水が回収された。
【００９６】
【図６８】０．６００ｋｇのＭＯＦ−３０３／Ｇを用いて水分捕集した際の温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。飽和は、３５％ＲＨ、１５℃の人工気候室で５日間行った。水分捕集は、低放射束下で７．５時間行った。６０ｇの液体水が回収された。
【００９７】
【図６９】ＭＯＦ−８０１／Ｇの水分吸着等温線である。青色と黄色のポイントは、それぞれ、水分捕集実験６の高放射束下における１．６５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇの飽和条件と遊離条件を示す（表４）。
【００９８】
【図７０】水分吸着ユニットの上面のエネルギーの流れを模式的に示した図である。
【００９９】
【図７１】充填空隙率の値が０．８５、０．７５、０．６５および０．５５と異なる場合の遊離温度および捕捉温度によるｑsensibleの変化を示した図である。ｑsensibleは、捕捉温度を２０℃として計算した。潜在エネルギーに対する顕在エネルギーの比率から、ほとんどのエネルギーが、遊離過程でＭＯＦの温度を上昇させるために消費されるのではなく、むしろ、ＭＯＦと水分との相互作用を解消するために消費されていることが分かる。
【０１００】
【図７２】放射率の値が異なる場合のＭＯＦ−８０１／Ｇの温度による放射熱損失の変化を示した図である。
【０１０１】
【図７３】ＭＯＦ−８０１／Ｇの温度および蓋部の温度の変化を示した図である。温度差の拡大によるレイリー数の増加が認められる。始めの６０分間は、蓋部の温度は、熱損失のないＭＯＦの温度より高かった。
【０１０２】
【図７４】ｑH（熱損失ありと熱損失なし）およびＭＯＦ−８１０／Ｇの量と、ＭＯＦ−８０１／Ｇの１ｋｇ当たりの潜在エネルギーと顕在エネルギーとを比較したグラフである。
【０１０３】
【図７５】遊離水の温度が６５℃、凝縮器温度が２０℃または４０℃、平均熱凝縮ヌッセルト数が３．３６または１．１８である場合の、ＭＯＦ−８１０／Ｇの量による冷却表面のサイズの変化を示した図である。冷却表面が３１００ｃｍ２であれば、凝縮器の温度が高く（４０℃）、伝熱率が低い（Ｎｕ＝１．１８）状態で十分な冷却エネルギーが保証される。
【０１０４】
【図７６】砂漠条件下で１．６５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを用いて水分捕集した際に記録した温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。５５ｇの液体水が回収された。遊離効率：９４％、回収効率：２５％、ＷＨＣ効率：２４％、製造能力：３３ｇ ｋｇ−１。
【０１０５】
【図７７】砂漠条件下で０．８２５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを用いて水分捕集した際に記録した温度（上段）および相対湿度（下段）のプロファイルである。５５ｇの液体水が回収された。遊離効率：９２％、回収効率：５６％、ＷＨＣ効率：５１％、製造能力：６７ｇ ｋｇ−１。
【０１０６】
【図７８】砂漠気候において水分捕集器のケーシングを包囲する、外部断熱材（土）の模式図である。
【０１０７】
【図７９】加熱前の重水素のみの１Ｈ−ＮＭＲスペクトルである。
【０１０８】
【図８０】加熱後の重水素のみの１Ｈ−ＮＭＲスペクトルである。
【０１０９】
【図８１】加熱前の、重水素中のＭＯＦ−８０１の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルである。観測された信号：ギ酸（８．２５ｐｐｍ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（７．８８ｐｐｍ、２．９６ｐｐｍ、２．８１ｐｐｍ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミン（２．６７ｐｐｍ）。
【０１１０】
【図８２】加熱後の重水素中のＭＯＦ−８０１の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルである。観測された信号：ギ酸（８．２７ｐｐｍ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（７．９１ｐｐｍ、２．９９ｐｐｍ、２．８４ｐｐｍ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミン（２．７０ｐｐｍ）。
【０１１１】
【図８３】加熱前と加熱後の、重水素中のＭＯＦ−８０１の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルを重ねて示したものである。
【０１１２】
【図８４】０．８２５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを用いた場合に回収された水の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルである。観測された信号：水（３．３５ｐｐｍ）。
【０１１３】
【図８５】加熱前の、重水素中のＭＯＦ−３０３の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルである。観測された信号：メタノール（３．３０ｐｐｍ）。
【０１１４】
【図８６】加熱後の重水素中のＭＯＦ−３０３の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルである。観測された信号：メタノール（３．３３ｐｐｍ）。
【０１１５】
【図８７】加熱前と加熱後の、重水素中のＭＯＦ−３０３の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルを重ねて示したものである。
【０１１６】
【図８８】０．６００ｋｇのＭＯＦ−３０３／Ｇ用いた場合に回収された水の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルである。観測された信号：水（３．３４ｐｐｍ）。
【０１１７】
【図８９】ジルコニウム標準溶液を用いて作成した検量線である。分析したサンプルにおけるジルコニウムのシグナル強度は２２６３９．７ａ．ｕである。
【０１１８】
【図９０】アルミニウム標準溶液を用いて作成した検量線である。分析したサンプルにおけるアルミニウムのシグナル強度は７７３９．６ａ．ｕである。
【０１１９】
【図９１】水分吸着ユニットの断面図である。
【０１２０】
【図９２】図９１に示した水分吸着ユニットを含む水分捕集筐体の断面図である。
【０１２１】
【図９３】凝縮器と水分吸着ユニットを含む大気水分捕集器の覆蓋の上面図である。
【０１２２】
【図９４】大気水分捕集器の側面図である。
【０１２３】
【図９５】図９５Ａ−９５Ｃは、全体として、自然冷却と自然太陽光を利用する、実用的な水製造のための水分捕集サイクル（ＷＨＣ）に関する。図９５Ａにおいて、ＷＨＣは捕捉サイクルと回収サイクルで構成されている。図９５Ｂにおいて、捕捉サイクルは使用するＭＯＦの吸着等温線により定められ、高性能水分捕集（捕捉）材料に必要な条件は当該吸着等温線により決定することができる。理想的な条件としては、ヒステリシス（履歴効果）がないかあっても極微である、ＩＶ型またはＶ型の等温線を示すこと；２５％ＲＨ未満で急激な吸着を示すこと；３５％ＲＨ未満で高い捕捉能を有すること；および測定温度の変化により等温線の変曲点が大きくシフトすること、が挙げられる。図９５Ｃにおいて、回収サイクルは、乾湿計チャートにより定められる。捕捉された水分が遊離する間は、空気は加湿および加熱される（ｉｉ→ｉｉｉ）。自然対流によって、この温められた湿潤空気が凝縮器へと送られ、露点温度未満に冷却される（ｉｉｉ→ｉｖ）。凝縮と同時に、液体水と脱湿空気が生じる。絶対湿度が低下して露点温度に到達しなくなるまで、この回収サイクルが継続される。
【０１２４】
【図９６】図９６Ａおよび９６Ｂは、全体として、ＭＯＦ−８０１の等温線、ならびに砂漠の空気から水製造を行うための、ＭＯＦをベースとする水分捕集器の設計に関する。図９６Ａは、１５℃（青色）、２５℃（グレー）および８５℃（赤色）におけるＭＯＦ−８０１およびＭＯＦ−８０１／Ｇの水分吸着等温線である（吸着は中塗り記号で示し、脱着は中抜き記号で示す）。先に報告されたＭＯＦ−８０１の等温線と比較して、変曲点の相対圧力の高い側へのシフト、最大容量の低下、およびヒステリシスが認められた。これらの所見は、この材料の単結晶度が高いことに関係している（１９）。ＭＯＦ−８０１にグラファイトを混合することにより、加重分に相当する重量容量は減少したが、等温線の全体的な形は完全に保持されていた。図９６Ｂは、水分吸着ユニットとケーシングとを含む水分捕集器の模式図である。夜間は、ケーシングの蓋部を開けて、ＭＯＦを砂漠の空気中の水分で飽和させる。昼間は、ケーシングを密閉して閉鎖系を作る。高温の湿潤空気が、ＭＯＦから前記凝縮器へと流れ、周囲環境への排熱により冷却される。露点温度に達すると凝縮が起こり、液体水がケーシングの底部に集まる。
【０１２５】
【図９７】図９７Ａ−９７Ｃは、全体として、水製造と、温度、相対湿度および太陽放射のプロファイルに関する。図９７Ａは、（ｉ）液滴が形成され、（ｉｉ）液滴が流れて水たまりが形成された凝縮器の写真（挿入図：砂漠において昼夜１回サイクルで製造された水量）である。図９７Ｂは、米国アリゾナ州スコッツデールの砂漠で２０１７年１０月２２日に実施した実験により得られた湿度と温度のプロファイルである。水分捕集器内の様々な位置に温度センサーと湿度センサーを配置した：凝縮器の底部（橙色）と上部（青色）、およびＭＯＦ粉末の表面（赤色）と内部（マゼンタ）。太陽放射束は、反射器上に取り付けた全天日射計で測定した。周囲環境の温度および相対湿度は、水分捕集器の近傍でモニターし、得られたデータから周囲環境の露点温度（淡青色）を算出した。図９７Ｃは、自然太陽放射下、砂漠で行った実験と、低放射束（５５８Ｗ ｍ−２）または高放射束（７９２Ｗ ｍ−２）を用いて実験室条件下で行った実験でそれぞれ得られた湿度と温度のプロファイルを比較したものである。開始点は、室内実験では、ＭＯＦ−８０１／Ｇの表面全体に人工的に放射した時点であり、砂漠での実験では、ＭＯＦ−８０１／Ｇの表面全体に自然太陽光を放射した時点である。
【０１２６】
【図９８】図９８Ａ−９８Ｃは、全体として、製造能力が向上した次世代ＭＯＦに関する。図９８Ａは、棒状のＡｌ（ＯＨ）（−ＣＯＯ）２無機二次構造単位（ＳＢＵ）をＨＰＤＣリンカーで連結することにより、一次細孔システムを有する拡張フレームワーク構造（ｘｈｈトポロジー）が形成されたＭＯＦ−３０３の結晶構造である。グレー、Ｃ；緑色、Ｎ；赤色、Ｏ；青色、Ａｌ多面体。図９８Ｂは、１５℃（青色）、２５℃（グレー）および８５℃（赤色）におけるＭＯＦ−３０３／Ｇの水分吸着等温線である。図９８Ｃは、水分捕集器の効率および製造能力を定めるパラメーターを比較したものである。グレーおよび橙色の棒は、それぞれ、低放射束下および高放射束下での測定値を示す。
【発明を実施するための形態】
【０１２７】
以下の記載により、例示的な方法、パラメーターなどについて説明する。ただし、以下の記載は本開示の範囲を制限するものではなく、例示的な実施形態の説明として提示されているものである。
【０１２８】
一態様において、本発明は、大気水分捕集器を提供し、該大気水分捕集器は、活性化合物または別の水分捕捉材料と、水分吸着ユニット（例えば、図９１）と、捕集筐体（例えば、図９２）と、冷却ユニットと、水回収器と、太陽光集光器と、持ち運び可能なスタンドフレームとを含む。別の形態の水分捕集システムについても、本明細書に記載する。
【０１２９】
水分捕捉材料
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。
【０１３０】
いくつかの実施形態において、前記水分捕捉材料は、金属酸化物構造体（ＭＯＦ）などの活性化合物を含む。ＭＯＦは、有機配位子と結合した二次構造単位（ＳＢＵ）を繰り返し単位として有する多孔質材料である。いくつかの変形において、前記ＳＢＵは、１種以上の金属または１種以上の金属含有錯体を含んでいてもよい。別のいくつかの変形において、前記有機配位子は、酸官能基および／またはアミン官能基を有する。特定のいくつかの変形において、前記有機配位子は、カルボン酸基を有する。
【０１３１】
水分の吸脱着が可能なＭＯＦを適宜選択して、本明細書におけるシステムで用いることができる。１つの変形において、Ａｌ（ＯＨ）（ＨＰＤＣ）の構造を有するＭＯＦ−３０３を用いてもよい。ＨＰＤＣは、１Ｈ−ピラゾール−３，５−ジカルボン酸を意味する。別の好適なＭＯＦとしては、例えば、ＭＯＦ−８０１、ＭＯＦ−８４１またはＭＩＬ−１６０などが挙げられる。例えば、Furukawa et al., J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4369-4381を参照のこと。また、複数種のＭＯＦを組み合わせて用いてもよい。
【０１３２】
いくつかの変形において、前記ＭＯＦの細孔径は、約０．５ｎｍ〜約１ｎｍ、または約０．７ｎｍ〜約０．９ｎｍである。特定のいくつかの変形において、前記ＭＯＦは、親水性細孔構造を有する。特定のいくつかの変形において、前記ＭＯＦは、酸官能基および／またはアミン官能基を含む親水性細孔構造を有する。特定のいくつかの変形において、前記ＭＯＦは、水分を可逆的に吸着できる１次元チャネルを有する。
【０１３３】
いくつかの変形において、前記水分捕捉材料は、少なくとも１種のＭＯＦとグラファイトとを含む。また、本明細書に記載の水分捕捉材料を組み合わせて用いてもよい。
【０１３４】
大気水分捕集システム
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。
【０１３５】
図４７および９１に関して、いくつかの変形において、前記水分吸着ユニットは、断熱材が充填された箱体である。前記水分吸着ユニットは、水分捕捉材料を該ユニットの最上部に保持するとともに、該ユニット内の高温部分（水分捕捉材料の温度は日光照射により上昇する）と低温部分（凝縮が起こる）の温度差を提供する。いくつかの変形において、前記水分吸着ユニットは、太陽光の吸収率を上げるために黒色塗料で被覆した上面を除いては、直射日光を反射するように白色で被覆されていてもよい。
【０１３６】
図９２に関して、前記水分吸着ユニットは、水分捕集筐体の内部に配置されている。いくつかの変形において、前記水分捕集筐体は、脱着後の遊離水分を保持するプレキシガラス製の箱体であってもよい。この筐体は、夜間は上部が開いた状態で保たれるため、前記水分捕捉材料は、低温の湿潤空気と接触して、水分を吸着する。昼間は、前記水分捕捉材料の加熱により遊離される水分を保持するために、前記筐体は透明な覆蓋で閉蓋されている。遊離した高温の湿潤空気は、前記水分捕集筐体内で下方に移動し、底部で凝縮する。アルミニウム被覆は、日よけとして当該箱体を覆うとともに、前記水分捕捉材料の表面に太陽光が当たる状態を維持できる。
【０１３７】
いくつかの変形において、前記水分捕集筐体内の前記水分吸着ユニットは、該水分捕集筐体の壁部を一定温度に保つために、土または熱容量の高い別の材料が充填された箱体に入れられていてもよい。このような土が充填された箱体は、凝縮時に放出された熱をすべて排熱するためのヒートシンクとしての役割も担う。図９４に関して、本発明のシステムは、太陽光が最大限に照射される角度で配置されていてもよい。さらに、いくつかの変形において、前記水分捕集筐体の底部を冷却するファンにエネルギーを供給するために、１つ以上のソーラーパネルを設置して、凝縮過程を加速させることも可能である。いくつかの実施形態において、本発明のシステムは、凝縮器をさらに含んでいてもよい。
【０１３８】
いくつかの変形において、本発明のシステムは、１つ以上のソーラーパネルをさらに含んでいてもよい。別のいくつかの変形において、本発明のシステムはパッシブシステムである。１つの変形において、本発明のシステムは、作動する際に、太陽光以外のエネルギー源を必要としない。したがって、いくつかの変形において、本明細書に記載のシステムは、送電網もソーラーパネルも使用せずに水を製造することができる。水分の捕捉、遊離および凝縮に何らかのエネルギー源を必要とするアクティブシステムとは異なり、本明細書に記載のパッシブシステムは、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システムである。
【０１３９】
本発明のシステムの各種ユニットについて、本明細書にてさらに説明する。
【０１４０】
図９６Ｂに関して、前記水分捕集システムの例示的な模式図が示されている。夜間は、ケーシングの蓋部を開けて、前記水分捕捉材料を周囲空気（例えば、砂漠の空気）中の水分で飽和させる。昼間は、前記水分捕集筐体を密閉して閉鎖系を作る。高温の湿潤空気が、前記水分捕捉材料から前記凝縮器へと流れ、周囲環境への排熱により冷却される。露点温度に達すると凝縮が起こり、液体水が前記水分捕集筐体の底部に集まる。この温度勾配を作るために、前記水分吸着ユニットは、断熱材として機能するように設計される。すなわち、前記水分吸着ユニットは、前記水分捕捉材料を加熱しながら、前記凝縮器の温度を低く維持することができるように設計される。前記水分吸着ユニット自体の太陽光による加熱を最小限に抑えるために、該水分吸着ユニットのすべての露出面にＩＲ反射コーティングを施してもよい。前記水分捕集筐体は、蓋部（または蓋）を有し、前記水分吸着ユニットを包囲している。図９６Ｂに示すように、前記水分捕集筐体の側壁は、凝縮器として機能し、周囲環境に伝熱用の面を提供する。本発明のシステムの別のいくつかの変形において、該システムは、凝縮器をさらに含んでいてもよく、該凝縮器は、例えば、前記水分捕集筐体の底部に配置される。前記水分捕集筐体は、夜間は飽和、昼間は遊離・凝縮を行うために、開閉可能になっている。また、前記水分捕捉材料の表面のみが太陽放射を受けるように、前記蓋部には反射器が取り付けられている。また、周囲環境からの伝熱による前記凝縮器の加熱を最小限に抑えるか、これを防ぐために、熱容量が高く、熱伝導率が低い外部断熱材（土など）を用いてもよい。
【０１４１】
本明細書に記載の大気水分捕集システムの前記水分吸着ユニット、前記水分捕集筐体、およびその他の構成要素について、以下、さらに詳細に説明する。
【０１４２】
図９１は、前記水分吸着ユニットの断面図である。この実施形態において、前記水分吸着ユニットは、前記活性化合物受け皿１、支持壁２および断熱区画３を含む。前記水分吸着ユニットが立方形状を有する特定の場合においては、前記支持壁は、底面支持壁４と、これに取り付けられた４つの側壁とで構成されており、これにより、一面のみ開放された立方筐体を形成している。前記支持壁は、水分の捕捉・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、前記断熱材への水分の移動を阻止する密閉筐体を形成している。前記活性化合物受け皿は、水分の捕捉および遊離の場となる、前記活性化合物で充填されたトレーである。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ており、該支持壁の厚さに応じてその上面端部に永久接着することも可能である。
【０１４３】
前記活性化合物の温度上昇は、刺激時間帯（昼間）の水分遊離に関わる因子である。したがって、前記活性化合物の温度を上昇させるための変更を加えて、水分の遊離を促し、それによって、水分の送達を促進する。この点に関して、前記活性化合物材料と接する、前記活性化合物受け皿の内側底面に、太陽光の吸収性が高い黒色コーティング６を施して、黒体吸収体とすることで、水分遊離時に前記活性化合物受け皿の温度を上昇させる。また、前記活性化合物の温度をさらに上昇させるために、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反射材５で覆われている。
【０１４４】
前記活性化合物受け皿からの熱損失が、前記凝縮器の温度を上昇させ、それにより、凝縮効率の低下を招く可能性があることは留意すべき点である。前記活性化合物受け皿の底面からの熱損失を最小限に抑えるために、前記断熱区画には、熱伝導率の低い材料が充填されている。このような材料としては、例えば、ガラス繊維および／または押出成形ポリスチレンフォームなどが挙げられるが、これらに限定されない。前記断熱材として、熱流抵抗性の高い断熱材を用いることにより、加熱時間帯の前記凝縮器への伝導伝熱を効率的に最小限に抑えることができる。前記断熱材は、前記水分吸着ユニット内の浮力による空気循環を防ぎ、前記断熱区画内の対流伝熱を最小限に抑えるために、密に充填されていることが好ましい。前記支持壁は、不利となる前記凝縮器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いる。このような材料としては、例えば、アクリルなどが挙げられるが、これに限定されない。前記支持壁の外面は、太陽光スペクトル内のモル吸光率が低い材料でコーティングされている。このようなモル吸光率の低い材料は、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、前記凝縮器の温度を露点未満に維持するのを助ける。
【０１４５】
図９２は、前記水分捕集筐体の断面図である。前記水分捕集筐体は、水分捕集筐体壁８で構成された隔室であり、前記水分吸着ユニットを周囲環境から隔離する役割を担う。前記水分捕集筐体の側壁は、周囲環境への水分移動および周囲環境からの水分移動を防ぎ、前記凝縮器内および予冷気流路内で起こる伝熱に関与する。前記水分捕集筐体の上部は、前記覆蓋および太陽光集光器２０を設置するための強固な基盤を提供する。前記水分捕集筐体の底板は、支持フレームおよび傾斜装置に取り付けられている。
【０１４６】
図９３において、覆蓋７は、３つの掛金１９と２つの軸吊丁番１８によって前記水分捕集筐体の上部端に取り付けられていることが好ましい。前記軸吊丁番により、前記覆蓋は接続部を軸として回動可能である。前記覆蓋は、太陽光からの赤外線の透過率が高く、反射率の低い透明な材料で作製されている。このような材料としては、例えば、ガラス、アクリルおよびエアロゲルなどが挙げられるが、これらに限定されない。前記覆蓋の下側には、該覆蓋と前記水分捕集筐体の上部との間の潜在的な隙間を埋めて空気漏洩を防ぐために、耐水性かつ防水性のガスケット２０が備えられている。
【０１４７】
予冷気流路９は、前記水分吸着ユニットと前記水分捕集筐体との間にある気流路であり、前記凝縮器に入る前の空気を冷却する役割を担う。前記予冷気流路内の空気と前記水分捕集筐体の側壁との伝熱は、主に対流によるものであり、同時に、前記水分捕集筐体の側壁を介して周囲環境への排熱が行われる。前記予冷気流路の水力直径および長さは、前記水分捕集筐体のサイズに応じて、前記対流伝熱が促進されるよう最適化されている。冷却が促進されるように、拡張表面部を設けて伝熱用実効表面積１５を増大させてもよい。拡張表面部としては、例えば、冷却コイルまたはヒートシンクなどが挙げられるが、これらに限定されない。高温の乾燥地域では、前記側壁から周囲環境への熱放散が実現しにくいことは留意すべき点である。この場合、熱伝導率が低く、熱容量が高い側面断熱材１６を用いて、前記水分捕集筐体の側壁を断熱するのがよい。このような断熱材としては、例えば、ガラス繊維、押出成形ポリスチレンフォーム、エアロゲル、土、コルク、岩石、スラグおよびコンクリートなどが挙げられるが、これらに限定されない。
【０１４８】
いくつかの実施形態において、前記凝縮器１１は、前記水分捕集筐体の底部に配置され、前記水分捕集筐体は、スペーサー１０によって前記水分吸着ユニットと分離されている。湿潤空気は、前記凝縮器上の、高さが調節可能な狭い通路を通って流れる。冷却が促進されるように、前記凝縮器を熱伝導率の高い材料で作製してもよい。このような材料としては、例えば、銅、銀、ステンレス鋼またはアルミニウムなどが挙げられるが、これらに限定されない。また、前記凝縮器は、外部ヒートシンク１２と連結されていてもよく、連結されていなくてもよい。拡張表面部を導入することにより、ほとんどの気候帯において、効率的な熱放散や、前記凝縮器の露点温度未満への冷却が可能であるが、乾燥高温地域において、周囲環境への伝熱および凝縮を促進するために、太陽光発電式ファン１４を前記ヒートシンクに連結してもよい。ソーラーパネル１７により、前記太陽光発電式ファンに十分なエネルギーが供給される。前記太陽光発電式ファンのエネルギー消費を抑え、かつ前記大気水分捕集器の水分送達性能を向上させるために、該太陽光発電式ファンを、デジタルフィードバック制御ユニット１３で制御してもよい。前記フィードバック制御ユニットは、前記活性化合物受け皿の最上部および前記凝縮器の表面に設置されている熱電対および湿度センサーからアナログデータを読み取る。前記活性化合物の温度が所望の温度に到達すると、前記フィードバック制御ユニットにより、前記太陽光発電式ファンにスイッチが入り、前記拡張表面部から熱が放散され、前記凝縮器が露点温度未満に冷却される。脱着過程の間、前記フィードバック制御ユニットによって、前記太陽光発電式ファンにスイッチのオン／オフが送信されることで、前記凝縮器の温度が常に所望の設定温度未満に保たれる。世界中の乾燥高温地域では、前記太陽光発電式ファンおよび拡張冷却表面によっても、前記凝縮器からの十分な熱放散が難しいため、前記凝縮器と前記太陽光発電式ファンとの間に、少なくとも１つの熱電冷却器を設置してもよい。この実施形態において、前記熱電冷却器の冷却面は、前記凝縮器の外面に直接接しており、前記熱電冷却器の加熱面は、前記太陽光発電式ファンに接続している。前記ソーラーパネルは、前記太陽光発電式ファン、前記フィードバック制御ユニット、および前記熱電冷却器に十分な電力を供給できるように、凝縮に必要な冷却負荷に応じて、適切なものが選択される。前記大気水分捕集器への電力供給は、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われるが、エネルギー源はこれらに限定されない。
【０１４９】
前記凝縮器で凝縮された水は、水回収システムによって回収することができる。前記水回収システムは、ウォータートラップ２７、放出弁２６、コネクター２５および貯水槽２３で構成されている。前記ウォータートラップは、前記水分捕集筐体の最深部に包埋されている中空の隔室であり、ここで水の液滴が融合する。前記ウォータートラップは排出口を有し、該排出口は、好ましくはプラスチックチューブおよびプラスチック弁によって前記貯水槽に連結されている。前記貯水槽は断熱槽であり、該貯水槽の底部近くに蛇口２４を有する。部材２３〜２７は、非腐食性かつ防黴性の材料で作製されていることが好ましい。このような材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ガラス繊維または軟質発泡断熱材などが挙げられるが、これらに限定されない。前記放出弁２６は、前記コネクター内に設置されたプラスチック製のオン／オフ切替弁である。前記放出弁は、（ｉ）水回収時は開いた状態、（ｉｉ）それ以外のときは閉じた状態となるように、２つの位置で作動する。前記貯水槽は、細菌の混入を防ぐために、紫外線照射と固形添加物とを用いて変更を加えてもよい。このような固形添加物としては、例えば、酸化チタン、銀または銅などが挙げられるが、これらに限定されない。
【０１５０】
前記太陽光集光器２０は、前記覆蓋の上面に配置されており、この太陽光集光器は、（ｉ）捕集時に、太陽光を太陽光窓（ｓｏｌａｒ  ｗｉｎｄｏｗ）を通して前記活性化合物受け皿上へと集光および偏向する役割と、（ｉｉ）前記水分捕集筐体の側壁、前記予冷気流路および前記凝縮器を日射から遮蔽する役割を担う。前記太陽光集光器は、特定の形状をした表面を有していてもよく、このような形状としては、例えば、平面状または放物線形状などが挙げられるが、これらに限定されない。前記太陽光窓に、一定の焦点距離を有する光学レンズを設置して、入射する太陽放射束の強度をさらに上げてもよい。太陽光が当たる前記太陽光集光器の上面には赤外線反射コーティングが施されており、一方、裏面は、太陽光スペクトル内のモル吸光率が低い材料でコーティングされている。
【０１５１】
前記大気水分捕集器の構成要素はすべて、持ち運び可能なスタンドフレーム２０−２１−２２−２８に取り付けられている。前記水分捕集筐体は、該フレームの底部に取り付けられた車輪２２を有するフレーム支持棒体２１上に設置されており、これにより設備全体を移動させることが可能である。太陽高度の年内変動による太陽放射束の低下を補うために、角度指示器２８を有する傾斜装置２０が設けられている。これによって、前記水分捕集筐体を所望の角度に傾斜させることができるため、入射する太陽放射束を最大限にすることができる。前記傾斜装置は、手動で操作してもよく、また、上空の太陽の位置をモニターし、入射する太陽放射束が最大限になるように設備全体の位置を変えることができる太陽追尾装置を用いて操作することも可能である。前記太陽追尾装置には、光起電性ソーラーパネルおよび該光起電性ソーラーパネルでチャージされたバックアップバッテリーによって電力が供給されることが好ましい。
【０１５２】
前記大気水分捕集器において、水分および液体水と直接接しているすべての構成要素または一部の構成要素に、疎水性コーティングが施されていてもよく、施されていなくてもよいことは留意すべき点である。
【０１５３】
いくつかの実施形態において、前記大気水分捕集器の作動原理には、以下のものが含まれる。
【０１５４】
水分捕捉（吸着）：
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。
【０１５５】
水分遊離（脱着）：
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。
【０１５６】
凝縮：
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。
【０１５７】
水回収：
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。
【０１５８】
実施形態の列挙
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。
【実施例】
【０１５９】
以下の実施例は例示に過ぎず、本開示の態様を何ら限定するものではない。
【０１６０】
実施例１
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。
【０１６１】
大気中に存在する水の量は、常時、１３×１０２１Ｌ程度である（１）。これは、世界中の乾燥地帯に給水できる可能性がある再利用可能な自然資源である。湿潤空気から水分を捕集する方法は公知であるが（２−６）、低湿度の砂漠気候で水分を捕集する方法はいまだ開発されていない（７）。低湿度の気候で実用的な水分捕集サイクル（ＷＨＣ（図９１））を確立する難しさには、水分を容易に捕捉・遊離できる材料を見つけること（捕捉サイクル）と、液体水が生成されるように凝縮器の温度を遊離水蒸気の温度より低くするのに十分な冷却エネルギーを提供すること（回収サイクル）の２つの要素がある。この２つのサイクルは、集中的なエネルギー投入を要する操作であると考えられているが（８）、自然冷却と自然太陽光のエネルギーのみを利用した水製造が可能か否かはいまだに明らかになっていない。
【０１６２】
有機金属構造体（ＭＯＦ）の水分吸着に関しては既に報告があり（７、９−１４）、最近、このような材料を用いて概念実証された装置が有望な結果を示している（１５）。しかし、この装置では、（１）冷却源を追加して利用しており、（２）水液滴は得られるが、回収に十分な量でなく、（３）構造剛性および伝熱性の観点から銅メッシュが必要であり、（４）砂漠での検証が行われていない。ここで、我々は、この進歩を実用化につなげるために、実験室と米国アリゾナ州の砂漠の両方で試験を行った新規の設計において、これらすべての問題について検討した。実験室から砂漠へと移行して実施した実験により、水分遊離と、凝縮と、材料特性との間の相互作用に関する重要なパラメーターが明らかとなった。その結果、追加のエネルギー投入を行わなくても、自然冷却と自然太陽光を利用して水を製造することが可能となった。０．５５０ｋｇのＭＯＦ−８０１を装置に充填した場合、実験室条件下では、昼夜１サイクルで最大７８ｇの水を製造することが可能であり、アリゾナ州の砂漠では、相対湿度（ＲＨ）５〜４０％で自然冷却と自然太陽光の利用により、昼夜１サイクルで最大５５ｇの水を製造することが可能であった。また、我々が新規に設計したＭＯＦ−３０３を０．４５０ｋｇ充填した場合は、最大１０５ｇの水が製造され、これにより、低湿度での水製造が実用化に向けて一歩前進した。
【０１６３】
水製造システムの設計に際して、ＷＨＣのためのエネルギー、材料および空気の必要条件について考察した。図９１Ａに示すように、捕捉サイクルでは、まず、夜間に、非飽和状態のＭＯＦを砂漠の空気と接触させて飽和状態にする。続いて、昼間に、飽和状態のＭＯＦを太陽光に当てて、捕捉された水を遊離させる。回収サイクルは、遊離した水蒸気がＭＯＦ周辺の空気を加湿する昼間に起こる。高温の湿潤空気は、（我々の実験では自然冷却によって）露点温度まで冷却され、凝縮器で液化水になる。回収サイクル（遊離・凝縮）は、液体水の回収が行われる昼間の時間帯が終了するまで続き、その後、次のＷＨＣが開始される。
【０１６４】
ＭＯＦの飽和度は、細孔に充填される水分量によって決まる。この量は、所定のＲＨにおける水分捕捉容量（ωcap：ＭＯＦの質量当たりの捕捉水分量）であり、水分吸着等温線から推定することができる。細孔容積が大きく、親水性細孔環境を有し、加水分解安定性に優れたＭＯＦでは、低ＲＨでωcapが高値になる。ＭＯＦの吸着特性に加えて、充填空隙率を最適化した設計にすることで、結晶間の拡散が促進され、１４〜１６時間の夜間の間にωcapに到達することができる（１６）。
【０１６５】
ＭＯＦで吸収されたエネルギーは、３つの過程で消費される：ＭＯＦ−水相互作用の解消（ｑH,latent＝ωcapｑst）、ＭＯＦの温度上昇（ｑH,sensible）、および熱損失による消失（ｑH,loss）。ＭＯＦに関してｑH,sensible≪ｑH,latentで、断熱性の吸着材格納容器に関してｑH,loss≪ｑH,sensibleであることを考慮すれば、吸収されたエネルギーのほとんどは、ＭＯＦ−水相互作用の解消に消費され、これが水分の遊離につながる。そのため、等量吸着熱（ｑst）の低いＭＯＦが望ましい。最大限の水を遊離するための実用的な捕捉サイクルは、不等式１に従う必要がある。ここで、我々は、捕捉された水分の全量を遊離することができる最小限の太陽エネルギー（ｑH,min）について考察した（セクションＳ９）（１６）。
【０１６６】
捕捉サイクルの性能は、等式２の遊離効率（ηR）で評価することができる。式中、ｍreleasedおよびｍcapturedは、それぞれ、遊離した水分の絶対質量および捕捉された水分の絶対質量であり、ωrelは、ＭＯＦの単位質量当たりの遊離水分の質量（ωrel≦ωcap）である。特定のωcapにおいて、最大の遊離効率を達成するためには、太陽光吸収率が高く、熱伝導率が高く、熱容量が低いＭＯＦと、比表面積が最大化された吸着材容器を用いる必要がある。直射日光に当たる時間は限られているため、温度上昇によりＭＯＦから水分が遊離する速度は、砂漠の空気から水分を捕捉する速度を大幅に上回ることが求められる。
【数１】
2021512792.tif 000003
【数２】
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【０１６７】
ＭＯＦから遊離した水蒸気を凝縮するのに必要な冷却エネルギーは、３つの過程で消費される：空気と遊離水蒸気の温度低下（ｑC,sensible）、結露（ｑC,latent＝ωcapｈfg）、および熱損失による消失（ｑC,loss）。水の相転移における比熱（ｈfg）（すなわち、凝縮のエンタルピー）が大きいことを考慮すると、冷却エネルギーのほとんどは、顕在的な冷却ではなく、凝縮に消費される（ｑC,sensible≪ｑC,latent）。適当な冷却容量を有する実用的な回収サイクルは、以下の基準を満たす必要がある。
【数３】
2021512792.tif 000005
【０１６８】
不等式３では、大気水製造用の設計において、理論上、遊離水の全量を凝縮することができる最小エネルギー量ｑC,minを考慮する必要があることが述べられている。回収サイクルの性能は、回収効率（ηC）で評価される。
【数４】
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式中、ｍcollectedおよびｍMOFは、それぞれ、回収された水の質量およびＭＯＦの質量である。
【０１６９】
砂漠気候における水製造の主要な課題は、自然冷却のみで凝縮器の温度を露点未満に維持することである。これは、凝縮器の冷却表面が大きく、対流伝熱や物質移動の効率が高い凝縮器を用いることにより可能である。凝縮器の理論上の最大容積は、空気飽和が可能でない点を超えたところにある（セクションＳ９）（１６）。
【０１７０】
ＷＨＣの全体的な効率は、下記のように定義される捕集効率（ηWHC）で示される。
【数５】
2021512792.tif 000007
【０１７１】
等式５によれば、ＭＯＦから遊離した水分量が捕捉された量と等しく（ηR→1）、かつ、遊離した水がすべて凝縮される場合（ηC→1）に限り、高効率な水製造が可能である。
【０１７２】
このＷＨＣと上記した考察に基づいて、吸着材として、まずＭＯＦ−８０１を用いた水分捕集システムを設計した。ＭＯＦ−８０１は、（ａ）加水分解安定性が高いこと、（ｂ）水分吸着挙動が十分に研究されていること、（ｃ）サイクル安定性が良好であること、（ｄ）再生に必要なエネルギーが小さいこと、および、（ｅ）これまで述べた、実用的な水製造に必要な要件をすべて満たす吸着等温線を示すことという理由から選択された（７）（図９２Ａ）。ＭＯＦ−８０１も、他の多くのＭＯＦと同様、赤外線（ＩＲ）領域および近赤外線領域での吸収率が低く、熱伝導率が低く（１７）、熱容量が高い（１８）ため、太陽光熱エネルギーによる直接加熱を受けにくい。そこで、ＭＯＦ−８０１の熱物理特性と吸収特性を高めるために、ＭＯＦ−８０１を非多孔質グラファイト（３３ｗｔ％）と混合した（ＭＯＦ−８０１／Ｇと称する）。水分捕集器には、２つの主要な構成要素として、ＭＯＦを保持する水分吸着ユニットと、これを包囲するケーシングが含まれる（図９２Ｂ）。水分吸着ユニットは、最大２９４５ｃｍ３の吸着材を保持できるように設計されており、この容量は、充填空隙率を０．７（水分移動の理想値）（１５）と仮定すると、１．２ｋｇのＭＯＦ−８０１（１．６５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇ）に相当する。吸着材容器の形状は、ＭＯＦの比表面積が大きくなる（＞０．５）ように選択した。我々の当初の概念実証設計（１５）において、ＲＨ１０％でＭＯＦ−８０１を６５℃まで加熱することで、水分遊離が可能であることを証明したが、この条件下では、凝縮器の温度が２０℃未満でなければ、凝縮が起こらない。この大きな温度勾配を生み出すには、水分吸着ユニットが断熱材としての機能を有する（ＭＯＦを加熱しながら、凝縮器の温度を低く維持する）ように設計する必要がある。水分吸着ユニット自体の太陽光による加熱を最小限に抑えるために、該水分吸着ユニットのすべての露出面にＩＲ反射コーティングを施した。立方形状のケーシングは蓋部を有し、水分吸着ユニットはこのケーシングによって包囲されている（図９２Ｂ）。ケーシングの側壁は、凝縮器として機能し、周囲環境に伝熱用の面を供給する。ケーシングは、夜間は飽和、昼間は遊離・凝縮を行うために、開閉可能になっている。また、ＭＯＦの表面のみが太陽放射を受けるように、前記蓋部には反射器が取り付けられている。また、温度センサーと湿度センサーを、ＭＯＦ粉末の表面と内部、ケーシングの底部、および凝縮器に配置した。これらのセンサーで記録されたデータ（後述）により、遊離効率、回収効率およびＷＨＣ効率を算出することができる。
【０１７３】
典型的な室内実験にて、吸着材を一晩飽和させた（ＲＨ＝３０〜５０％、１８〜２５℃、１６．５時間）。飽和後、ケーシングを密閉し、人工光（２７００Ｋ）を照射した。１日の平均的な太陽光放射照度を示す低放射束（５５８Ｗ ｍ−２）の条件下と、アリゾナ州（３３°Ｎ、１１１°Ｗ）などの砂漠地帯におけるピーク時の太陽光放射照度を示す高放射束（７９２Ｗ ｍ−２）の条件下のそれぞれでデータを収集した。７．５時間後、実験を終了して、液体水を回収した。
【０１７４】
最初の実験は、１．６５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを用いて、低放射束下および高放射束条件下で行った。凝縮器の温度を２０℃に維持した状態で、約３０分後に凝縮器上で霧の発生が認められた（図９３Ａ）。実験開始から２〜３時間の時点で、水液滴が形成され、次いでこれらが融合して大きな水たまりとなった（補足の動画Ｓ１−Ｓ４を参照のこと）（１６）。低放射束下では、２５ｇの水が生成され、高放射束下では、５６ｇの水が生成された。湿度と温度の測定結果から各種効率を求めたところ、低放射束下では、ηR＝３９％、ηC＝３０％、ηWHC＝１２％であり、高放射束下では、ηR＝７６％、ηC＝４３％、ηWHC＝３３％であった。回収効率の低さから、遊離した水分量と凝縮器の冷却容量との間のミスマッチ（すなわち、捕捉サイクルと回収サイクルとのミスマッチ）が示唆された。この問題点に対処するために、ＭＯＦ−８０１／Ｇ（０．８２５ｋｇ）の充填量を半分にして、同様の実験を行った。注目すべき点としては、吸着材の使用量を減らしたものの、より多くの水（低放射束下では３７ｇの水、高放射束下では７８ｇの水）が回収され、効率も改善したことである（低放射束下では、ηR＝４４％、ηC＝９３％、ηWHC＝４１％であり、高放射束下では、ηR＝８６％、ηC＝９２％、ηWHC＝７９％）。この大幅な改善は、比表面積の増大（約１）と、ＭＯＦ内のエネルギー移動の加速によって、より長い時間、効果的な凝縮が行われ、水分遊離が促進された（ωrel→ωcap）ことに起因する（セクションＳ９）（１６）。しかし、ＭＯＦ−８０１／Ｇの使用量をさらに減らした場合は、ηCとηWHCはさらに改善されたものの、水の絶対収量は減少した。したがって、０．８２５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを使用することで、ηRとηCが高値で、名目上の水収量が高い、バランスの取れた水分捕集器、すなわち、（砂漠のような環境で）自然冷却と太陽光熱エネルギーのみの利用で作動可能な水分捕集器を作製することができた。製造した水の化学分析を行った結果、いずれの実験においても、ＭＯＦの分解による異物混入は認められなかった（セクションＳ１１）（１６）。
【０１７５】
次いで、我々は、２０１７年１０月後半に、この装置をアリゾナ州スコッツデールに移して、その性能を砂漠条件下（昼間は、３５〜４０℃でＲＨはわずか５％であり、夜間は、１０〜１５℃でＲＨが最大で４０％である）で調べ、上述した水分捕集原理（図９３Ｂ）の検証を行った。しかし、砂漠条件下で水分捕集器を用いた最初の実験は失敗に終わり、液体水が得られなかった。砂漠条件下では、日中の環境温度が高いため、凝縮器の温度が劇的に上昇して（４２℃）、ＭＯＦと凝縮器の温度差が約３０℃に縮小し、凝縮が妨げられた（凝縮器のＲＨ＜８８％）。周囲環境からの伝熱によって凝縮器が加熱されるのを防ぐために、熱容量が高く、熱伝導率が低い外部断熱材（土）を用いた（２０）。この変更により、凝縮器の温度が大幅に減少し（減少幅：１０℃）、凝縮器のＲＨも９４％に上昇した。その結果、霧の形成は認められたが、このＭＯＦと凝縮器との温度差（４０℃）でも、凝縮水を増やす程度まで絶対湿度を上げるには十分でなかった。ＭＯＦと凝縮器との温度差をさらに拡大するためには、さらに多くの太陽エネルギーが必要であった。１０月のスコッツデール（ＤＭＳ緯度：３３°３０’４．７６６４”Ｎ、ＤＭＳ経度：１１１°５５’３１．０００８”Ｗ）の太陽高度は、午前（午前９時）と夕方（午後４時）で２０°、正午で４５°と差がある（２１）。そこで、水分捕集器をスタンドに取り付けて、ＭＯＦが吸収する太陽エネルギーを最大限にするために３７°傾けた。この変更で、実験室条件下で測定した場合と同等のＭＯＦの温度を再現することができ、実際、７時間後に液体水が回収された。凝縮器におけるＲＨの瞬発的な上昇が示すように、太陽エネルギー吸収量の増大によって水分遊離が加速され、凝縮器自体の加熱も抑えられたことで、凝縮が促進された（図９３Ｂ）。０．８２５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを使用した場合に、５５ｇの水が回収され、この値は、実験室条件下の低放射束（３７ｇ）、高放射束（７８ｇ）のそれぞれの回収量の間に位置する値である。これは図９３Ｃに示す、対応する温度とＲＨのプロファイルとよく一致している。
【０１７６】
この研究成果を実用化に向けて進めるために、我々は、工業的なスケールアップ製造の仕様に合うような、水分吸着特性を高めたＭＯＦを作製することを試みた。我々は、金属としてジルコニウムの代わりにアルミニウムを用い、有機溶媒の代わりに水を用いて、次世代材料のＭＯＦ−３０３［Ａｌ（ＯＨ）（ＨＰＤＣ）：ＨＰＤＣ＝１Ｈ−ピラゾール−３，５−ジカルボン酸］の合成に成功した。このＭＯＦは、ｘｈｈトポロジーに基づく新規の構造を有し、Ａｌ（ＯＨ）（−ＣＯＯ）２  ＳＢＵがＨＰＤＣリンカーを介して無限に連結した構造を持つ（図９４Ａ）（２２）。ＭＯＦ−３０３の構造は、直径６Åで、自由細孔容積０．５４ｃｍ３ ｇ−１の親水性の１次元細孔を有し、最大水分捕捉容量が０．４８ｇ ｇ−１と大きいことが特徴として挙げられる。ＭＯＦ−３０３の水分吸着等温線は、先に概説した高性能の水分捕集材料としての必要条件をすべて満たしている。すなわち、ＩＶ型等温線を示し、Ｐ／Ｐ０＝０．１５に変曲点を持ち、Ｐ／Ｐ０＝０．３でプラトーに達し、温度応答性が良好で、ヒステリシスはほとんど認められない（図９４Ｂ）。ＭＯＦ−３０３は、ωcapが大きいにもかかわらず、アリゾナ州での作動条件（夜間のＲＨ、環境温度および太陽放射束）におけるｑH,minとｑC,minの基準を共に満たしているため、ＭＯＦ−３０３は現行の水分捕集器に適用できる。ＭＯＦ−８０１と同様に、ＭＯＦ−３０３の熱物理特性と吸収特性は、非多孔質グラファイト（３３ｗｔ％）と混合することにより向上した（ＭＯＦ−３０３／Ｇと称する）。ＭＯＦ−３０３／Ｇを用いて、上記の実験室条件と同じ条件下で試験を行ったところ、水製造量が劇的に増加し、増加率は１１４％であった（セクションＳ９）（１６）。
【０１７７】
最終的に、ＷＨＣによる吸着材の性能は、製造能力Ｐ（ｇ ｋｇ−１）で定義される。
【数６】
2021512792.tif 000008
式中、ｍsorbentは吸着材の使用量（ｋｇ）である。このパラメーターは、同じ水分捕集器を用いて同じ条件下で様々な材料の性能を比較する上で有用である。ゼオライト１３Ｘは、一般的な細孔性乾燥剤であって、ＭＯＦ−８０１およびＭＯＦ−３０３と同等の細孔径および細孔容積を有することから、基準物質として選択した。図９４Ｃは、ゼオライト１３Ｘ、ＭＯＦ−８０１／ＧおよびＭＯＦ−３０３／Ｇのそれぞれの製造能力を計算して比較した図である。この比較により、砂漠の空気から自然冷却を利用し、太陽光熱エネルギーのみを利用して行う水製造にとって、ＭＯＦ特有の水分吸着挙動が重要であることが顕著に分かる。最大１７５ｇ／ｋｇ−１ＭＯＦという、ＭＯＦ−３０３／Ｇの極めて高い水製造能力は、砂漠の空気からの実用的な水製造の成功に向けて励みになる結果である。
【０１７８】
この報告で概説した、砂漠の空気からの実用的な水製造のためのエネルギー、材料および空気の必要条件を規定する基準は、世界中の様々な地域で適用されるものになるであろう。
【０１７９】
セクションＳ１
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
【０１８０】
オキシ塩化ジルコニウム八水和物（ＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏ、純度９９．８％以上）、塩化アルミニウム六水和物（ＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、純度９９．８％以上）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）（ＨＰＬＣ等級）、フマル酸（純度９９％以上）、３，５−ピラゾールジカルボン酸一水和物（Ｈ３ＰＤＣ）（純度９７％以上）、ゼオライト１３Ｘ、および水酸化ナトリウムは、Sigma-Aldrich Co.から購入した。無水ＤＭＦおよびギ酸（純度９９．８％以上）は、EMD Millipore Chemicalsより入手した。超微粉末グラファイトは、AGS Companyより入手した。メタノール（ＨＰＬＣ等級）は、Fisher Scientificから購入した。重水素化溶媒は、Cambridge Isotope Laboratoriesより入手した。入手した化学物質はすべて、それ以上精製することなくそのまま使用した。Pyrex製培地保管用スクリューキャップ容器を、合成、溶媒交換および保管に使用した。
【０１８１】
セクションＳ１．２
分析方法
【０１８２】
粉末Ｘ線回折（ＰＸＲＤ）パターンは、Bruker製D8 Advance回折計（ゲーベル・ミラーモノクロメーター式Cu Kα1照射, λ=1.54056Åを用いて取得した。ＭＯＦ−３０３の単結晶Ｘ線回折（ＳＸＲＤ）データは、合成したそのままの状態の結晶を用いて、ローレンス・バークレー国立研究所のＡＬＳ（Advanced Light Source）に設置されたビームライン１１．３．１で収集した。窒素吸着等温線は、Quantachrome製 Quadrasorb-SI定容量法ガス吸着分析装置で測定した。７７Ｋの液体窒素浴を用いて測定を行った。ＭＯＦおよびＭＯＦ／Ｇのすべてのサンプルの構造体密度は、比重計（Ultrapyc 1200e, Quantachrome）を用いて測定した。減衰全反射法によるフーリエ変換赤外分光（ＡＴＲ−ＦＴＩＲ）スペクトルは、Bruker製ALPHA Platinum ATR-FTIR分光計を用いて測定した。熱重量分析（ＴＧＡ）曲線は、TA Instruments製SDT Q600シリーズ熱重量分析装置で測定した。気体は、２Ｌのバブリング式加湿器に乾燥空気を通してバブリングして加湿した後、ＴＧＡチャンバーに送った。湿度および温度は、ＴＧＡチャンバーの上流に設置した高精度熱電対および湿度センサーを用いてモニターした。水分等温線の測定およびサイクル実験による安定性試験は、BEL Japan製BELSORP-aqua3を用いて行い、水分吸着量（ｃｍ３／ｇ）を推定した。水分吸着量の測定を行う前に、水分（分析物）を液体窒素下で急速冷凍し、次いで、動的真空下で少なくとも３回排気を行って水貯留器内のすべてのガスを除去した。測定温度は、水循環装置を用いて制御した。ガス吸着量および水分吸着量のいずれの測定においても、ヘリウムを用いてデッドスペースを推定した。すべての実験において、超高純度の窒素およびヘリウム（Praxair、純度99.999%）を用いた。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）およびエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）の画像は、FEI製Quanta３次元走査電子顕微鏡で加速電圧を１０ｋＶとして撮影したものである。１Ｈ−ＮＭＲスペクトルは、Bruker製DRX-500分光計を用いて５００ＭＨｚで作動させて記録した。捕集した水分サンプル中のアルミニウム含量およびジルコニウム含量は、ＩＣＰ−ＡＥＳ分光分析装置（Optima 7000 DV, Perkin Elmer）を用いて分析した。２８５〜２５００ｎｍの範囲の拡散反射スペクトルは、Varian製Cary 5000分光計を用いて測定した。２８５〜３０００ｎｍの範囲の吸収スペクトルは、Shimadzu製ＵＶ３６００を用いて測定した。
【０１８３】
セクションＳ２
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
【０１８４】
ＭＯＦ−８０１、Ｚｒ６Ｏ４（ＯＨ）４（フマル酸）６のプレスケールアップ合成：
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。
【０１８５】
スケールアップ合成：
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。
【０１８６】
セクションＳ２．２
ＭＯＦ−８０１のスケールアップ活性化
【０１８７】
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時間加熱した。１４０個の反応容器から得られた生成物を合わせてアルミニウム受け皿に載せ、１６０℃の乾燥オーブンで１０日間加熱してから、水製造実験に用いた。微結晶性ＭＯＦ−８０１粉末の活性化体の総収量は１１００ｇであった。
【０１８８】
セクションＳ２．３
活性化ＭＯＦ−８０１の特性解析
【０１８９】
ＰＸＲＤ、ＥＤＳ解析およびＳＥＭ画像：
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。
【０１９０】
空隙率分析および充填密度分析：
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。
【０１９１】
活性化ＭＯＦ−８０１の粉末粒子密度（ρp）は、比重計測定（構造体密度ρs＝２．３１１６±０．００７５ｇ ｃｍ−３）とＢＥＴ細孔容積測定（Ｖp＝０．２８１０ｃｍ３ ｇ−１）から１．４０１ｇ ｃｍ−３であると推定された（等式Ｓ１）。
【数７】
2021512792.tif 000009
【０１９２】
セクションＳ２．４
水分容量特性の評価
【０１９３】
プレスケールアップしたＭＯＦ−８０１の活性化体のバッチから３４ｍｇ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。吸着材の温度は、水浴を用いて制御した。
【０１９４】
活性化ＭＯＦ−８０１の特性曲線および等量吸着熱：
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。
【数８】
2021512792.tif 000010
式中、Ａは、１モルあたりの吸着のギブス自由エネルギーであり、Ｐ０は、水の温度依存性蒸気圧であり、Ｗは、吸着した液体体積であり、ｑは、吸着した質量であり、ρliqwfは、水の液体密度である。
【０１９５】
等量吸着熱は、クラウジウス・クラペイロンの式を用いて推定した。
【０１９６】
セクションＳ３
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
【０１９７】
スケールアップした微結晶性ＭＯＦ−８０１粉末の活性化体１１００ｇを２Ｌの容器に加えて、５５０ｇのグラファイト粉末と混合し、６７：３３ｗｔ％のＭＯＦ−８０１−グラファイト混合物を１６５０ｇ調製した。この混合物をＭＯＦ−８０１／Ｇと称する。ＭＯＦ／Ｇの粉末の色が均一なグレーになるまで、反応容器を振盪して十分に混合した。ＭＯＦ−８０１粉末が凝集した大きな粒子が観察され、この凝集体をスパーテルで砕いて再び混合した。得られた混合物について、さらなる活性化は行わず、結晶化度、粉末密度、空隙率および水分吸着特性の観点から、さらなる特性解析を行った。
【０１９８】
セクションＳ３．２
ＭＯＦ−８０１／Ｇの特性解析
【０１９９】
グラファイトのＰＸＲＤ、ならびに活性化ＭＯＦ−８０１／ＧのＰＸＲＤ、ＥＤＳ分析およびＳＥＭ画像：
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。
【０２００】
空隙率分析および充填密度分析：
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。
【０２０１】
よく混合した活性化ＭＯＦ−８０１／Ｇから７８ｍｇ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。
【０２０２】
ＭＯＦ−８０１／ＧのＢＥＴ表面積の予想値は、純粋なＭＯＦ−８０１の表面積に混合物中のＭＯＦの比率を乗じて求めた：５８２ｍｇ−１×６７ｗｔ％＝３８９ｍ２ ｇ−１。
【０２０３】
活性化ＭＯＦ−８０１／Ｇの粉末粒子密度（ρp）は、比重計測定（構造体密度ρs＝２．２８２２±０．０１０５ｇ ｃｍ−３）とＢＥＴ細孔容積測定（Ｖp＝０．２０６０ｃｍ３ ｇ−１）から１．５５２ｇ ｃｍ−３であると推定された（等式Ｓ１）。粉末粒子密度の予想値は、以下のようにして計算した。
【数９】
2021512792.tif 000011
【０２０４】
セクションＳ３．３
水分吸着特性の評価
【０２０５】
活性化ＭＯＦ−８０１／Ｇから７８ｍｇ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。
【０２０６】
セクションＳ４
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
【０２０７】
ＭＯＦ−３０３、Ａｌ（ＯＨ）（ＨＰＤＣ）（Ｈ２Ｏ）：
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).
【０２０８】
セクションＳ４．２
ＭＯＦ−３０３活性化
【０２０９】
合成したそのままの状態の、白色結晶性ＭＯＦ−３０３粉末をろ取し、水で１日３回３日間洗浄した後、メタノールで１日３回３日間洗浄し、ろ過した後、空気中で乾燥させた。まず、空気中で乾燥させたＭＯＦのサンプルを入れたチャンバーの圧力が１ｋＰａ未満になるまで真空引きを行った。その後、サンプルを真空下１００℃で２４時間加熱し、さらに１５０℃で４８時間加熱した。１５０個の反応容器から得られたＭＯＦ粉末を合わせてアルミニウム受け皿に載せ、この受け皿ごと乾燥オーブンに入れて１６０℃で１０日間加熱し、その後、特性解析に用いた。微結晶性ＭＯＦ−３０３粉末の活性化体を、合計で４５０ｇ調製することができた。
【０２１０】
セクションＳ４．３
単結晶ＭＯＦ−３０３および微結晶性粉末ＭＯＦ−３０３の特性解析
【０２１１】
単結晶Ｘ線回折解析：
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。
【表１】
2021512792.tif 000012
【表２−１】
2021512792.tif 000013
【表２−２】
2021512792.tif 000014
【０２１２】
ＰＸＲＤ、ＥＤＳ分析およびＳＥＭ画像：
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。
【０２１３】
空隙率分析および充填密度分析：
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。
【０２１４】
スケールアップしたＭＯＦ−３０３の活性化体の粉末粒子密度（ρp）は、比重計測定（構造体密度ρs＝２．４５９１±０．００３７ｇ ｃｍ−３）とＢＥＴ細孔容積測定（Ｖp＝０．３６７０ｃｍ３ ｇ−１）から１．２９３ｇ ｃｍ−３であると推定された（等式Ｓ１）。
【０２１５】
セクションＳ４．４
水分容量特性の評価
【０２１６】
スケールアップしたＭＯＦ−３０３の活性化体から３８ｍｇ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。吸着材の温度は、水浴を用いて制御した。なお、プレスケールアップしたＭＯＦ−３０３の場合は、２７ｍｇのサンプルを解析に使用した。
【０２１７】
セクションＳ５
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
【０２１８】
スケールアップしたＭＯＦ−３０３の活性化体４５０ｇを２Ｌの容器に加えて、１５０ｇのグラファイト粉末と混合し、６７：３３ｗｔ％のＭＯＦ−３０３／Ｇを６００ｇ調製した。ＭＯＦ３０３／Ｇ混合物の色が均一なグレーになるまで、反応容器を振盪して十分に混合した。ＭＯＦ−３０３粉末が凝集した大きな粒子が観察され、この凝集体をスパーテルで砕いて再び混合した。得られた混合物について、さらなる活性化は行わず、結晶化度、粉末密度、空隙率および水分吸着特性の観点から、さらなる特性解析を行った。
【０２１９】
セクションＳ５．２
ＭＯＦ−３０３／Ｇの特性解析
【０２２０】
活性化ＭＯＦ−３０３／ＧのＰＸＲＤ、ＥＤＳ分析およびＳＥＭ画像：
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。
【０２２１】
空隙率分析および充填密度分析：
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。
【０２２２】
ＭＯＦ−３０３／ＧのＢＥＴ表面積の予想値は、純粋なＭＯＦ−３０３の表面積に混合物中のＭＯＦの比率を乗じて求めた：９８９ｍ２ ｇ−１×６７ｗｔ％＝６６２ｍ２ ｇ−１。
【０２２３】
活性化ＭＯＦ−３０３／Ｇの粉末粒子密度（ρp）は、比重計測定（構造体密度ρs＝２．５４５２±０．００１５ｇ ｃｍ−３）とＢＥＴ細孔容積測定（Ｖp＝０．２８２０ｃｍ３ ｇ−１）から１．４８２ｇ ｃｍ−３であると推定された（等式Ｓ１）。粉末粒子密度の予想値は、以下のようにして計算した。
【数１０】
2021512792.tif 000015
【０２２４】
セクションＳ５．３
水分容量特性の評価
【０２２５】
ＭＯＦ−３０３／Ｇの活性化体から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。
【０２２６】
セクションＳ６
吸着材の比較
セクションＳ６．１
ゼオライト１３Ｘの特性解析
【０２２７】
市販のゼオライト１３Ｘをサンプルとしてそのまま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。
【０２２８】
セクションＳ６．２
太陽放射応答
【０２２９】
粉末サンプルを押出成形ポリスチレンフォーム製の断熱セルに充填した。この断熱セルの６０ｃｍ上に白熱電球（１５０Ｗ）を配置して、該セルに１０００±３０Ｗ ｍ−２の放射束が理想的に垂直照射されるようにした。セル温度と周囲環境の温度が平衡に達したところで、放射束を照射した。また、全天日射計を用いて太陽放射束をモニターし、セルの底部の温度読取値を記録した。測定は環境温度２５±０．５℃で行った。各測定で１ｇの粉末サンプルを使用した。
【０２３０】
セクションＳ６．３
近赤外線特性
【０２３１】
測定サンプルにおいて、透過率がゼロであると仮定し、反射率を、等式Ｓ４（低吸収サンプル用）または等式Ｓ５（高吸収サンプル用）に従って吸光度に変換した。
【数１１】
2021512792.tif 000016
【０２３２】
式中、αは吸光度であり、Ｒは反射率である。ＭＯＦ−８０１／Ｇ、ＭＯＦ−３０３／Ｇのいずれも、ＭＯＦのみのサンプルより吸光度の有意な上昇が認められた。
【０２３３】
セクションＳ６．４
水分動態の比較
【０２３４】
粉末サンプルを白金受皿に入れて、ＲＨ０％（乾燥空気）で１５０℃に加熱した。次いで、このサンプルを、温度２５℃、ＲＨ０％で２４時間放置して、温度を平衡化した。吸着測定は、２５℃、ＲＨ４０％で実施し、脱着測定は、８５℃、ＲＨ０％で実施した。重量パーセントは、（活性化材料の質量＋吸着水の質量）／（活性化材料の質量）の値として推定した。
【０２３５】
セクションＳ７
水分捕集器
セクションＳ７．１
材料
【０２３６】
透明プレキシガラス／ＰＭＭＡ（厚さ：０．５”および０．２５”）ならびに連結部を有するＴスロットアルミニウムフレーム（シングルレール、銀製、高さ１−１／２”×幅１−１／２”）は、McMaster-Carrより購入した。太陽光吸収コーティング剤（Pyromark 1200高温耐熱塗料）は、LA-CO（登録商標）より購入した。高光束白熱電球（１５０ワット、２，７１０ルーメン、１００ＣＲＩ）は、Bulbrite製である。押出成形ポリスチレンフォーム（２４”×幅２４”、厚さ１”）は、Owens Corning（登録商標）より購入した。アクリルセメントはScigrip製である。プライマー、白色塗料、および透明光沢２Ｘ塗料は、Rust-Oleum製である。
【０２３７】
セクションＳ７．２
太陽放射応答
【０２３８】
ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）の円形細片を、押出成形ポリスチレンフォーム製の断熱セルに充填した。この断熱セルの６０ｃｍ上にランプを配置して、該セルに１０００±３０Ｗ ｍ−２の放射束が理想的に垂直照射されるようにした。セル温度と周囲環境の温度が平衡に達したところで、放射束を照射した。また、全天日射計を用いて放射束をモニターし、セルの底部の温度読取値を記録した。測定はすべて環境温度２５±０．５℃で行った。
【０２３９】
セクションＳ７．３
近赤外線特性
【０２４０】
ＰＭＭＡの吸光度スペクトルは、Shimadzu製UV3600を用いて２８５〜３０００ｎｍの範囲で測定した。ＵＶ領域と可視領域では、ＰＭＴ検出器を使用し、長波長検出用には、ＩｎＧａＡｓ検出器と冷却ＰｂＳ検出器を使用した。分光光度計は、１８５〜３３００ｎｍの波長範囲を有するダブルモノクロメーターが搭載されている。いずれの実験も、蓋部（１／８”）の作製に用いたものと同じＰＭＭＡを用いた。ＰＭＭＡは、コーティングしていないものと、プライマーまたは白色塗料を薄くコーティングしたものを測定した。プライマー、白色塗料のいずれでコーティングした場合も、可視領域とＩＲ領域の吸光度の上昇が認められた。これは、反射率の上昇により説明される。
【０２４１】
セクションＳ７．４
水分吸着ユニット
【０２４２】
水分吸着ユニットは、吸着材格納容器、支持壁および断熱区画で構成される。支持壁は、アクリル製支持底板（１８．５０”×１８．５０”×０．２５”）と、これに取り付けられた４つの長方形の透明板片（１８．２５”×８．００”×０．２５”）とで構成されており、水分の捕捉・遊離時に吸着材格納容器を所望の位置で保持する役割を担う。この支持壁の上部の面に、吸着材格納容器（１６”×１６”×深さ１”）が接着により固定されており、断熱材への水分の移動を阻止する密閉筐体を形成している。
【０２４３】
遊離時間帯に吸着材の温度を上昇させるために、吸着材格納容器の底面および側壁に、太陽光の吸収性が高い黒色コーティングを施した。
【０２４４】
また、格納容器の側面および底面からの熱損失を最小限に抑えるために、断熱区画に、熱伝導率が低く、熱容量が高い押出成形ポリスチレンフォームを充填した。水分吸着ユニット内の浮力による空気循環を防ぎ、断熱区画内の対流伝熱を最小限に抑えるために、側壁と押出成形ポリスチレンフォームとの間にガラス繊維を加えた。水分吸着ユニットの放射加熱を最小限に抑え、凝縮器の温度を露点未満に保つために、支持壁の外面を、太陽スペクトルの赤外線領域に高い反射率を有する白色塗料でコーティングした。
【０２４５】
セクションＳ７．５
ケーシング
【０２４６】
ケーシングは、アクリル製壁（２２”×２２”×０．２５”）で構成されている。ケーシングの側壁は、周囲環境への水分移動および周囲環境からの水分移動を防ぎ、凝縮器の内部および予冷気流路の内部で起こる伝熱に関与する。ケーシングの上部は、蓋部および太陽光反射器を設置するための強固な基盤を提供する。一方、ケーシングのアクリル製底板（２２”×２２”×０．２５”）は、支持フレームおよび載物台に取り付けられている（砂漠実験用）。蓋部は、可視領域および近赤外線領域の透過率が高い透明なアクリル（２４”×２４”×０．１２５”）で作られている。蓋部は、ケーシングの最上部に１２個のねじを用いてねじ留めされており、また、潜在的な隙間を埋めて漏洩を防ぐために、耐水性かつ防水性のガスケットを備えて密閉性を提供している。
【０２４７】
遊離過程では、水蒸気と加熱空気が、気流路を通ってケーシングの底面へと流れる。凝縮は、主に側壁で見られる。気流路は幅４５ｍｍで、閉鎖系内で浮力による空気循環を発生させる。この空気と、ケーシングの側壁との伝熱は、主に対流によるものであり、同時に、ケーシングの側壁を介して周囲環境への排熱が行われる。側壁上の液滴が徐々に滑り落ち、２．４５ｃｍのスペーサーによって水分吸着ユニットから離して配置されているケーシングの底部に溜まる。
【０２４８】
セクションＳ７．６
太陽光反射器
【０２４９】
太陽光反射器は、覆蓋の上面に配置されており、この太陽光反射器は、（ｉ）吸着材上に注ぐ太陽光を集光および偏向する役割と、（ｉｉ）凝縮器、水分吸着ユニットの露出面、気流路、およびケーシングの底部を日射から遮蔽する役割を担う。
【０２５０】
セクションＳ８
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。
【０２５１】
セクションＳ８．１
湿度測定
【０２５２】
湿度の読取値は、熱硬化性ポリマーの静電容量検出素子を使用した集積回路センサー（Honeywell製HIH-4021）を用いて記録したものである。センサーは、箱内で気流との間で大きな相互作用が生じないように比較的小型なもの（１２ｍｍ×４ｍｍ×２ｍｍ）を使用した。湿度センサーの電圧出力を、National Instruments製データ収集システム（NI 9205 32チャネルアナログ入力モジュールを備えたcDAQ-9174）を用いて記録し、LabView 2016で処理して、データを収集・可視化した。湿度センサーは、HygroCal100湿度発生器（Michell Inc, MA, USA）を用いて、所定の範囲のＲＨ（５％＜ＲＨ＜９０％、ＲＨ５％刻みで上昇、Ｔ＝２５℃）で校正した。７つのHygroSmart HS3静電容量湿度センサー（精度：±０．８％）を用いて、HygroCal 100湿度チャンバー全体で湿度が均一（±０．５％未満）になるようにした。偏り誤差は、外部標準基準として精密露点計（Optidew Vision precision, Michell Inc, MA, USA）を用いることで排除した。この精密露点計は、０．５〜１００％の相対湿度範囲内で、露点精度±０．２℃、ＲＨ精度０．５％である。各湿度レベルにおいて、湿度センサーの電圧出力測定は、サンプリング周波数３０秒で５０回行い、ヒステリシス効果は、湿度の上昇（５％から９０％へ）・下降（９５％から５％へ）のループを通して確認した。各湿度レベルの湿度センサーの精度不確実性（Ｕp）は、等式Ｓ６を用いて算出した。
【数１２】
2021512792.tif 000017
式中、Ｓは精度指数、すなわち、アナログ読取値の標準偏差の平方根であり、ｔは、両側スチューデントｔ因子（５０データポイントで２）である。湿度センサーの精度不確実性は、最大で±０．０１％であることが示された。センサー電圧出力（０．５〜３．０Ｖ）から相対湿度（０〜１００％）への変換には、線形回帰を適用した（図５０）。決定係数が大きい（Ｒ２＞０．９９）ことから、一定の温度においてセンサーが線形応答を示すことが確認され、データ縮約の偏り不確実性（Ｕfit）は±０．６％未満であった。基準湿度における偏りの不確実性（Ｕref＝０．５％）とデータ縮約の偏りの不確実性（Ｕfit＝０．６％）の値から、全体の偏りの不確実性（ＵB）を等式Ｓ７を用いて算出したところ、０．７％であった。
【数１３】
2021512792.tif 000018
【０２５３】
湿度測定における全体の不確実性（ＵT）は、等式Ｓ８により±１％未満であることが示された。
【数１４】
2021512792.tif 000019
【０２５４】
等式Ｓ９で示される温度補償関係式はメーカーによって提供されており、これを用いて、異なる温度における相対湿度値を調整する。
【数１５】
2021512792.tif 000020
式中、Ｔは作業温度（摂氏℃）である。温度補償関係式を用いて高温における相対湿度を求めることは可能であるが、湿度の読取値における不確実性は温度や相対湿度が高くなるほど大幅に増大する（例えば、ＲＨ＝８０％、Ｔ＝８５℃の場合、±５％ＲＨ）可能性があることは留意すべき点である。
【０２５５】
セクションＳ８．２
温度測定
【０２５６】
Ｔ型熱電対（Neoflon PFA, American Wire Gauge 40, Omega Eng.）を温度測定に用いた。熱電対の出力信号を、National Instruments製データ収集システム（NI 9214 16チャネル Isothermal TCモジュールを備えたcDAQ-9174）を用いて取得し、LabView 2016で処理して、データを収集・可視化した。熱電対は、Hart Scientific製9103 dry-well calibrator（精度：±０．２５℃）を用いて、１５〜１０５℃の範囲で温度を５℃ずつ上げながら校正した。各基準温度において、サンプリング速度５秒で４０個の読取値を取得し、ヒステリシス効果は、温度上昇・降下のループを通して確認した。精度不確実性を、スチューデントｔ因子を２として等式Ｓ６を用いて計算したところ、±０．０１℃未満であることが示された。線形回帰曲線をデータ縮約に適用したところ、偏り誤差は±０．０４℃であった。温度の読取値における全体の不確実性は、等式Ｓ８により、最大で±０．２５℃未満であることが示された。
【０２５７】
セクションＳ９
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
【０２５８】
自然太陽光の照射量と、実験室条件における捕集実験で測定した照射量を比較するために、水分捕集器の露出した最上面の放射照度を走査した。そこで、２つのランプ（２つおよび３つのランプ）を配置して実験を行い、１走査あたり２５のデータポイントを収集した。ケーシングの蓋部中央における全天日射計の読取値が、ここで報告する室内実験の読取値の範囲内に入るようにランプを調整した（２つのランプの場合８３０Ｗ ｍ−２、３つのランプの場合１１４０Ｗ ｍ−２）。２つのランプを配置した場合は２回走査を行い、４つのランプを配置した場合は４回走査を行った。測定値に基づいて、各配置の補正係数を算出した。２つのランプを配置した場合の平均放射照度（Ｗ ｍ−２）は、蓋部中央の測定値の６７．２５％であり、３つのランプを配置した場合は、蓋部中央の測定値の６９．５６％であった。各走査につき、２つの方向（９０°回転させて）で行った（１００データポイント）。この補正係数により、太陽放射照度（SMARTS v. 2.9.2によるASTM G173-03基準太陽光スペクトルから提供されるデータに基づく。直達光＋周辺光）と、２８５〜３０００ｎｍの範囲（全天日射計で測定したスペクトル範囲）で温度２７００Ｋとしてプランクの放射則（等式Ｓ１０）を用いて算出されたランプの理論的スペクトルとを定性的に比較することができる。
【数１６】
2021512792.tif 000021
2021512792.tif 000022
得られたスペクトルを図５２（２つのランプ）および図５３（３つのランプ）に示す。１方向で測定した入射放射束の分布およびすべての方向の平均を、２つのランプの場合は図５２に、３つのランプの場合は図５３に示した。
【０２５９】
人工放射による吸着材の平均の半球吸収率（α）および蓋部の平均の半球透過率（τ）を、下記の等式を用いて求めた。
【数１７】
2021512792.tif 000023
2021512792.tif 000024
MATLAB R2017a（２６）を用いて、数値積分を行い、計算で得られたαおよびτの値を表３に記載した。
【表３】
2021512792.tif 000025
【０２６０】
セクションＳ９．２
実験室条件下における水製造
【０２６１】
ゼオライト１３Ｘ、ＭＯＦ−８０１／Ｇ、ＭＯＦ−３０３／Ｇをそれぞれ用いた水分捕集実験を、制御された実験室条件下で行った。水分吸着ユニット、ケーシング、およびグラファイト微粒子間に残存する湿気に由来する誤差を排除するために、空の吸着材格納容器とグラファイトのみでも捕集実験を行った。表４に、実験で使用した吸着材の量と吸着／脱着条件をまとめて示した。
【表４】
2021512792.tif 000026
【０２６２】
実験室条件下の水分捕集における相対湿度／温度の実験データ：
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。
【０２６３】
実験１３および１４（表４）に関しては、飽和は、Espec製人工気候室で行った。吸着材を人工気候室から取り出して、水分吸着ユニットに移し、ケーシングを密閉してすぐに遊離過程を開始した。
【０２６４】
セクションＳ９．３
水分捕集サイクルの性能評価
【０２６５】
捕捉容量ωcapは、飽和の最後の３０分間の温度およびＲＨのプロファイルから推定した。最終容量ωfinは、吸着材と空気とが平衡状態にある、すなわち、ＲＨと温度の値の変化がそれらの不確実性より小さいと仮定して、液体水回収前の捕集実験の最後の３０分間の温度およびＲＨのプロファイルから推定した。吸着材の質量当たりの遊離水分量ωrelは、ωcapとωfinの差である。捕捉効率、遊離効率、水分捕集サイクル効率、および製造能力を表５に示す。
【表５】
2021512792.tif 000027
【０２６６】
セクションＳ９．４
水分遊離に関する設計の考察
【０２６７】
このセクションでは、ＭＯＦからの水分の遊離とその後の凝縮に必要なエネルギー量を推定する理論的方法について考察する。
【０２６８】
2021512792.tif 000028
蓋部から発散される熱放射は無視し、熱伝導率が低い（０．０２７Ｗ ｍ−１ Ｋ−１）押出成形ポリスチレンフォームを用いることにより、伝導熱損失は最小限に抑えられると仮定する。
【０２６９】
ＭＯＦが常に均一な温度分布を有する
2021512792.tif 000029
とすれば、ＭＯＦを含む制御体積のエネルギー収支は次の通りである。
【数１８】
2021512792.tif 000030
【０２７０】
吸着材充填の時間依存性の有効物性は以下の等式で定められる。
【数１９】
2021512792.tif 000031
【数２０】
2021512792.tif 000032
式中、ε、ｃpおよびρは、それぞれ充填空隙率（ＭＯＦ内部の細孔容積は除く）、熱容量および密度である。等式Ｓ１３の有効物性に等式Ｓ１４および等式Ｓ１５を代入し、等式Ｓ１３を遊離時間で積分すると以下の式になる。
【数２１】
2021512792.tif 000033
【０２７１】
捕捉した水分が遊離過程において遊離温度ですべて脱着すると仮定すれば、遊離水蒸気は、ＭＯＦと熱平衡状態にあり、また、温度による密度と熱容量が変化が小さいと仮定すれば、等式Ｓ１６は以下の式になる。
【数２２】
2021512792.tif 000034
【０２７２】
ＭＯＦが質量当たりに受ける総エネルギー量は、以下の式で定義される。
【数２３】
2021512792.tif 000035
【０２７３】
総顕在エネルギーは、ＭＯＦの温度を捕捉温度から遊離温度に上昇させるのに消費されたエネルギー量を、ＭＯＦの単位質量当たりのエネルギー量として表したものであり、以下の式で定義される。
【数２４】
2021512792.tif 000036
【０２７４】
総潜在エネルギーは、捕捉した水分の全量がＭＯＦから脱着するのに消費されたエネルギー量を、ＭＯＦの単位質量当たりのエネルギー量として表したものであり、以下の式で定義される。
【数２５】
2021512792.tif 000037
【０２７５】
ｑsensibleおよびｑlatentに関する考察：
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。
【０２７６】
2021512792.tif 000038
人工放射を用いた室内実験では、
【数２６】
2021512792.tif 000039
2021512792.tif 000040
【表６】
2021512792.tif 000041
【０２７７】
吸着材表面からの放射熱損失は、下記式によって求めることができる。
【数２７】
2021512792.tif 000042
式中、σ＝５．６７０×１０−８／Ｗ ｍ−３ Ｋ４は、ステファン・ボルツマン定数であり、εmは、吸着材の半球放射率である。
2021512792.tif 000043
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。
【０２７８】
ＭＯＦの表面から蓋部への対流熱損失を、下記式を用いて求めた。
【数２８】
2021512792.tif 000044
2021512792.tif 000045
レイリー数を、下記等式を用いて算出した。
【数２９】
2021512792.tif 000046
式中、β、αTおよびμは、それぞれ、空気の容積熱膨張係数、熱拡散率および動粘度であり、ｇは、重力加速度である。β、αTおよびμの値を求めるために、空気を理想気体とみなし、下記の関係式と相関係数を用いた。
【数３０】
2021512792.tif 000047
式中、Ｔref＝２９３．１５Ｋの時、μref＝１．８２０５×１０−５ｋｇ ｍ−１ ｓ−１である。
【数３１】
2021512792.tif 000048
【数３２】
2021512792.tif 000049
【０２７９】
レイリー数は、低放射束下における、ＭＯＦの温度および蓋部の内側表面温度の一時的な測定値を用いて推定した。Ｒａの温度プロファイルおよび瞬時値を図７３に示す。
【０２８０】
2021512792.tif 000050
【数３３】
2021512792.tif 000051
2021512792.tif 000052
【数３４】
2021512792.tif 000053
【０２８１】
低放射束の場合、ＭＯＦ−８０１／Ｇで吸収されたエネルギーの総量は、以下の通りである。
【数３５】
2021512792.tif 000054
【０２８２】
吸着材表面からの放射熱損失は、下記式で求めた。
【数３６】
2021512792.tif 000055
【０２８３】
2021512792.tif 000056
【数３７】
2021512792.tif 000057
【０２８４】
したがって、ＭＯＦ表面からの放射熱損失の総量および対流熱損失の総量は、それぞれ１．５％未満および０．０５％未満である。よって、全熱損失量としては１．６％未満になる。
【０２８５】
ＭＯＦ−８０１／Ｇの量に対する、水分遊離に必要なエネルギーの総量（ｑH）を、０．１５５ｍ２の露出面からの熱損失がある場合とない場合とでプロットした（図７４）。
【０２８６】
また、ＭＯＦの加熱および捕捉された水分の遊離に必要なエネルギーの総量（ｑlatent＋ｑsensible）もプロットしてｑlatentと比較した。この結果より、この水分捕集器では最大２．５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを用いることが可能であることが分かった。この質量未満であれば、入射放射エネルギーで、捕捉された水分をＭＯＦから完全に遊離することができる。ＭＯＦから周囲環境へのエネルギー損失がないとみなし、顕在エネルギーを無視しても、同様の結果が得られることは留意すべき点である。それにより、計算の煩雑さをなくし、簡単な基準
【数３８】
2021512792.tif 000058
または、
【数３９】
2021512792.tif 000059
を定めることができる。
【０２８７】
セクションＳ９．５
水分凝縮に関する設計の考察
【０２８８】
このセクションでは、ＭＯＦから遊離した水分の凝縮に必要なエネルギー量を推定する理論的方法について考察する。
【０２８９】
2021512792.tif 000060
水蒸気の凝縮に必要なエネルギーは、遊離水蒸気の温度を下げて（ｑsensible）、水蒸気を液化する（ｑlatent）のに用いられ、一部は周囲環境へと消失する。したがって、凝縮時間帯における凝縮器内のエネルギー保存の法則は、下記式の通りである。
【数４０】
2021512792.tif 000061
式中、Ｔwv、ＴaおよびＴdewは、それぞれ、水蒸気の温度、乾燥空気の温度および露点温度であり、ｃp,wvおよびｃp,aは、それぞれ、水蒸気の熱容量および空気の熱容量である。熱損失が無視でき、水蒸気と乾燥空気との間の熱平衡が成立し（Ｔa＝Ｔw）、最大限の水分遊離が可能であり、その遊離水分がすべて凝縮する（ωrel＝ωcap）とすれば、以下のようになる。
【数４１】
2021512792.tif 000062
【０２９０】
凝縮過程が自然冷却のみによる場合、冷却エネルギーは以下のように推定することができる。
【数４２】
2021512792.tif 000063
2021512792.tif 000064
ｍair／ｍMOF ｃp,a≪ωcapｃp,wであることを考慮すれば、下記の関係式が得られる。
【数４３】
2021512792.tif 000065
【０２９１】
2021512792.tif 000066
ここで、我々は、水分遊離が６５℃で起こり、凝縮器の温度が露点温度と同じである（Ｔc＝Ｔa）場合について考察した。ＭＯＦの量に対する凝縮に必要な総面積を、異なる凝縮器温度、２つの異なるヌッセルト数（Ｎｕ＝３．３６およびＮｕ＝１．１８）で算出しそれぞれプロットした（図７５）。現行の設計では、ケーシングの総面積は３１００ｃｍ２であり、これは、水分吸着ユニットを包囲するのに十分な大きさであるとともに、最大２．５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇから遊離した水分の凝縮に十分に大きな表面を提供する。顕在冷却を無視することにより、冷却面積の偏差は１％未満であった。これより、遊離した水分の凝縮に必要な最小限の冷却エネルギーは、顕在冷却を無視することにより、以下のように求められることが示唆される。
【数４４】
2021512792.tif 000067
【０２９２】
冷却面を大きくすることで、提供される凝縮用の冷却エネルギーは増加するが、凝縮器の容積には理論的な制限がある。凝縮器の近傍における絶対湿度（ｗ、単位：ｋｇ（水）ｋｇ（乾燥空気）−１）と、相対湿度の関係は、以下のように表される。
【数４５】
2021512792.tif 000068
【０２９３】
凝縮にＲＨ１００％が求められることを考慮すれば、以下のようになる。
【数４６】
2021512792.tif 000069
【０２９４】
等式Ｓ３９のＡcとｍMOFとの既知の比率を用いて、凝縮器の最大長（Ｌc,max）は以下のように表すことができる。
【数４７】
2021512792.tif 000070
【０２９５】
ＭＯＦの最小量が０．４ｋｇであり、ωcap＝０．１４、Ａc＝３１００ｃｍ２、Ｔc＝３０℃とすれば、Ｌc,maxは３．１６ｍとなる。現行の設計では、Ｌc＝２５．４ｃｍであり、ωrel＝０．０８ωcapの場合に凝縮器を十分に飽和させることが可能であった。
【０２９６】
セクションＳ１０
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。
【０２９７】
セクションＳ１１
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。
【０２９８】
低放射束下で０．８２５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを用いて回収された３７ｍｌの水から、４ｍｌの水を採取し、４ｍｌのバイアルに加えた。水を１００℃で一晩蒸発させた。バイアルを０．６ｍｌのＤＭＳＯ−ｄ６ですすぎ、１Ｈ−ＮＭＲスペクトルを測定した。ＤＭＳＯ中に可溶性の有機不純物は認められなかった。
【０２９９】
微結晶性粉末ＭＯＦ−３０３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、微量のメタノールが検出された。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３，５−ピラゾールジカルボン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。
【０３００】
高放射束下で０．６００ｋｇのＭＯＦ−３０３／Ｇを用いて回収された１０５ｍｌの水から、４ｍｌの水を採取し、４ｍｌのバイアルに加えた。水を１００℃で一晩蒸発させた。バイアルを０．６ｍｌのＤＭＳＯ−ｄ６ですすぎ、１Ｈ−ＮＭＲスペクトルを測定した。ＤＭＳＯ中に可溶性の有機不純物は認められなかった。
【０３０１】
高放射束下で１．６５ｋｇのＭＯＦ−８０１／Ｇを用いて回収された６５ｍｌの水から、２０ｍｌの水を採取し、４５ｍｌの遠心管に加えた。このサンプルを１２０００ｒｐｍで３０分間遠心分離した。上清を回収して、２０ｍｌのシンチレーションバイアルに加え、水を１００℃で一晩蒸発した。バイアルを２％ｖ／ｖの硝酸水溶液１０ｍｌですすいで、ＩＣＰで解析した。次に、様々な濃度の標準的なジルコニウム溶液０ｐｐｍ、０．００５ｐｐｍ、０．０５ｐｐｍ、０．５ｐｐｍおよび５ｐｐｍを用いて、シグナル−濃度検量線を作成した。解析したサンプル中のジルコニウムの量が０．００９ｐｐｍであったことから、ＭＯＦ−８０１サンプルは水分捕集中に分解しないことが示唆された。
【０３０２】
高放射束下で０．６００ｋｇのＭＯＦ−３０３／Ｇを用いて回収された１０５ｍｌの水から、２０ｍｌの水を採取し、４５ｍｌの遠心管に加えた。このサンプルを１２０００ｒｐｍで３０分間遠心分離した。上清を回収して、２０ｍｌのシンチレーションバイアルに加え、水を１００℃で一晩蒸発した。バイアルを２％ｖ／ｖの硝酸水溶液１０ｍｌですすいで、ＩＣＰで解析した。次に、様々な濃度の標準的なアルミニウム溶液０ｐｐｍ、０．００５ｐｐｍ、０．０５ｐｐｍ、０．５ｐｐｍおよび５ｐｐｍを用いて、シグナル−濃度検量線を作成した。解析したサンプル中のアルミニウムの量が０．００５ｐｐｍであったことから、ＭＯＦ−３０３サンプルは水分捕集中に分解しないことが示唆された。
【図１】
2021512792.tif 000071
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2021512792.tif 000079
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【図７６】
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【図７７】
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【図７８】
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【図７９】
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【図８０】
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【図８１】
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【図８２】
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【図８３】
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【図８４】
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【図８５】
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【図８６】
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【図８７】
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【図８８】
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【図８９】
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【図９０】
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【図９１】
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【図９２】
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【図９３】
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【図９４】
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【図９５】
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【図９６】
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【図９７Ａ】
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【図９７Ｂ−Ｃ】
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【図９８Ａ】
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【図９８Ｂ−Ｃ】
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【国際調査報告】
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