從“天上”吸水：MIT科學(xué)家發(fā)明新型集水系統(tǒng)，可用于沙漠環(huán)境

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舉報(bào) 2020-10-16

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水，對(duì)于保證人類生命健康至關(guān)重要，對(duì)于保護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)也必不可少。

來(lái)自世界衛(wèi)生組織（WHO）的資料顯示，人類個(gè)體每天需要 20-50 升無(wú)有害化學(xué)和微生物污染的飲用水和衛(wèi)生用水，但在地球上可獲得的所有水資源中，僅有約 2.5% 的水為淡水，而且有相當(dāng)部分的淡水尚無(wú)法獲取；目前全球 10 億多人無(wú)法獲得安全供水，26 億人缺少適當(dāng)?shù)男l(wèi)生設(shè)施。而對(duì)于一些生活在干旱地區(qū)（比如沙漠地帶）的人，水資源短缺問(wèn)題更加嚴(yán)重。

如果不能從地表獲取水資源，從“天上”行不行？即使在地球上最干旱的地方，空氣中也有一些水分，而一種可行的集水方法可能是在這些“不適合生存”地方生存的關(guān)鍵。

近日，來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）和美國(guó)猶他大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)新型系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可以利用來(lái)自太陽(yáng)或其他來(lái)源的熱量直接從空氣中“吸水”，即使在干旱地區(qū)也可以。該系統(tǒng)可以在低至 20% 濕度的環(huán)境下工作，除了陽(yáng)光或任何其他可用的低等級(jí)熱源之外，不需要其他能源輸入。可能有助于為電力有限的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供可持續(xù)的水源。
相關(guān)研究發(fā)表在 Cell Press 旗下的物質(zhì)科學(xué)期刊 Joule 上，麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系主任 Evelyn N. Wang 教授為該論文的通訊作者，現(xiàn)就讀于麻省理工的中國(guó)留學(xué)生 Yang Zhong、Lenan Zhang 和 Lin Zhao，也參與了這一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
（來(lái)源：Joule）
值得注意的是，早在 2018 年的質(zhì)譜儀測(cè)試結(jié)果中就顯示，更早版本的系統(tǒng)所收集的水就是一種沒(méi)有雜質(zhì)的水。“這表明我們可以獲得高質(zhì)量的水。” Wang 說(shuō)。
目前，在一天的時(shí)間內(nèi)該系統(tǒng)每平方米可以產(chǎn)生約 0.8 升水，這一生產(chǎn)率或許可能滿足某些場(chǎng)景的需求，如果可以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)或找到更好吸附材料，提高系統(tǒng)的產(chǎn)水速率，或?qū)⒖梢栽谌彼貐^(qū)具有大規(guī)模應(yīng)用的潛力。
源于 3 年前的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)建立在 3 年前麻省理工學(xué)院同一團(tuán)隊(duì)成員開發(fā)的原型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，是一個(gè)更加有望成為偏遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)用水源的系統(tǒng)。Wang 和她的同事展示的早期設(shè)備為該系統(tǒng)提供了一個(gè)概念驗(yàn)證，該系統(tǒng)利用設(shè)備內(nèi)部的溫差，使吸附材料（在設(shè)備表面收集液體）在夜間吸收空氣中的水分，第二天釋放出來(lái)。當(dāng)材料被大陽(yáng)光加熱時(shí)，被加熱的頂部和陰影下面之間的溫度差使水從吸附材料中釋放出來(lái)，然后把水凝結(jié)在一個(gè)收集盤上。

但是，這個(gè)裝置需要使用一種叫做金屬有機(jī)框架（metal organic frameworks，MOFs）的特殊材料，這種材料價(jià)格昂貴且供應(yīng)有限，而且這個(gè)系統(tǒng)的出水量也不足以用于實(shí)際生產(chǎn)中。研究人員表示，通過(guò)將第二階段的解吸和冷凝合并，以及使用一種容易獲得的吸附材料，該設(shè)備的出水量已經(jīng)顯著增加，而且作為一個(gè)潛在的廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品，它的可擴(kuò)展性也大大提高了。

圖｜一種可以直接從幾乎干燥的空氣中“集水”的新系統(tǒng)（來(lái)源：EurekAlert!）
Wang 表示，團(tuán)隊(duì)成員認(rèn)為“我們已經(jīng)有了一個(gè)小的原型，但我們?nèi)绾尾拍馨阉兂梢粋€(gè)更具可擴(kuò)展性的產(chǎn)品呢？”

設(shè)計(jì)和材料方面的新進(jìn)展，使得這一想法成為現(xiàn)實(shí)。在新的設(shè)計(jì)中，研究人員使用了一種新型吸附材料（一種沸石，由多微孔磷酸鋁鐵構(gòu)成，內(nèi)表面積大）來(lái)替代之前的金屬有機(jī)框架，這種新型材料容易獲得、分布廣泛，且性質(zhì)穩(wěn)定，可以吸附幾乎干燥的空氣中所含的微量水分，并具有很好的吸附性能，可以根據(jù)晝夜溫差和陽(yáng)光照射，提供一個(gè)有效的“吸水”系統(tǒng)。
LaPotin 開發(fā)的兩階段設(shè)計(jì)巧妙地利用了水相發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的熱量。箱形系統(tǒng)頂部的太陽(yáng)能吸收板收集太陽(yáng)光的熱量，然后加熱沸石，釋放出前一個(gè)夜晚吸收的水分。蒸汽在集熱板上冷凝——這個(gè)過(guò)程也會(huì)釋放熱量。集熱板是在第二沸石層正上方并與之接觸的銅片，其中的冷凝熱被用來(lái)釋放下一層的蒸汽，從每一層收集到的水滴可以匯集到一個(gè)收集罐中。
圖｜集水系統(tǒng)模型（來(lái)源：Joule）
在這個(gè)過(guò)程中，該系統(tǒng)的整體產(chǎn)水速率大約是早期版本的兩倍，但確切的數(shù)字還受當(dāng)?shù)販囟茸兓⑻?yáng)光強(qiáng)度和濕度的影響。Wang 表示，在新冠大流行之前，他們?cè)诼槭±砉W(xué)院的屋頂上對(duì)新系統(tǒng)的最初原型進(jìn)行了測(cè)試，與之前的設(shè)計(jì)相比，該系統(tǒng)的產(chǎn)水速率有了“數(shù)量級(jí)”的增長(zhǎng)。
這個(gè)系統(tǒng)更好用
雖然類似的兩級(jí)系統(tǒng)已經(jīng)被用于海水淡化等其他應(yīng)用場(chǎng)景，但 Wang 認(rèn)為，此前還沒(méi)有人真正使用這種方法來(lái)收集大氣水。

現(xiàn)有的大氣水收集（AWH）方法包括霧水和露水收集，但兩者都有明顯的局限性。霧氣收集只能在 100％相對(duì)濕度下進(jìn)行，目前僅在少數(shù)沿海沙漠中使用；露水收集需要一個(gè)制冷環(huán)境“造出”一個(gè)冷表面來(lái)凝結(jié)水分，同時(shí)也受環(huán)境溫度影響，至少需要 50% 的濕度環(huán)境。

相比之下，新系統(tǒng)可以在低至 20% 濕度的環(huán)境下工作，除了陽(yáng)光或任何其他可用的低等級(jí)熱源之外，不需要其他的能源輸入。

（來(lái)源：Pixabay）
Wang 的研究生 Alina LaPotin 表示，“關(guān)鍵在于這種兩級(jí)結(jié)構(gòu)”，如今它的有效性已經(jīng)顯示出來(lái)了，研究人員甚至可以通過(guò)尋找更好的吸附材料來(lái)進(jìn)一步提高生產(chǎn)率。

目前該系統(tǒng)在一天的時(shí)間內(nèi)每平方米可以產(chǎn)生約 0.8 升水，這一生產(chǎn)率或許已經(jīng)可以滿足某些場(chǎng)景的實(shí)際需求，但如果可以通過(guò)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)調(diào)整和材料選擇來(lái)提高這一速率，就可能會(huì)有大規(guī)模應(yīng)用。此外，這種兩級(jí)系統(tǒng)還可以適用于其他類型的集水方法，提高系統(tǒng)的日產(chǎn)量。

Wang 表示，他們也將繼續(xù)探索可以改進(jìn)該系統(tǒng)的材料和設(shè)計(jì)，并使其適用于特定應(yīng)用（比如一種用于軍事野外行動(dòng)的便攜式版本），而他們目前正在開發(fā)的材料，其吸附量大約是該系統(tǒng)所用沸石的 5 倍，有望提高系統(tǒng)的整體產(chǎn)水速率。

或許在不久的將來(lái)，那些生活在干旱地區(qū)的孩子們，可以喝到充足、干凈的飲用水了。
參考：
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30444-Xhttps://www.newscientist.com/article/2257229-water-could-be-extracted-from-desert-air-using-heat-from-sunlight/https://www.who.int/globalchange/ecosystems/water/zh/https://news.mit.edu/2017/MOF-device-harvests-fresh-water-from-air-0414https://news.mit.edu/2018/field-tests-device-harvests-water-desert-air-0322

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