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如何从干燥的空气中捕捉水?

撰文 | 邓志有
责编 | 程   莉
 
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这似乎是一个老生常谈的话题——你担心过自己没水可用吗?尤其是在这样炎热的天气里。
 
一个残酷的现实是,据《科学进展》(Science Advances)去年的一篇报道,有40亿人,也就是全球三分之二的人口,每年至少有一个月面临严重的水短缺,更有5亿人口全年都要跟严重的水短缺作斗争。
 
水从哪儿来?地下、湖泊、河流……人们还为获取水资源做出了许多努力,如海水淡化,以及南水北调这种对水资源的调配工作。然而不是所有地方都有这样的条件。
 
其实,一个巨大的水资源就潜藏在我们周围,我们很少注意到,也尚未被充分开发利用。
 
那就是大气中的水蒸气。
 
大气中大约有1.3万万亿升(1.3万兆升)水,相当于地球上所有淡水湖泊总水量的十分之一。搜集露水或者从雾气中捕获水分都是利用大气水分的例子,干旱地区的生物甚至深谙此道,比如在纳米布沙漠中的一种甲虫每天早上爬到沙丘顶部利用自己的身体搜集露水。南美洲的人们会利用帆布来搜集雾气。
 
然而传统的利用大气水的方法往往需要100%的相对湿度或者需要消耗大量能量。如何低能耗地从相对干燥的空气(相对湿度20%或更低)中捕获水分?这仍然是个技术难题。
 
最近,Berkeley和MIT的科学家们(Omar Yaghi 和Evelyn Wang等人)利用一种新型的材料,发明了一个仅利用太阳能就可以从干燥空气中捕获水分的设备,给解决这一问题带来了希望。
 
4月13日,他们发表在《科学》杂志的文章称,一千克新型材料每12个小时可以从湿度为20%的空气中吸取2.8升的水。撒哈拉沙漠的平均湿度大约是25%。地球上最干燥的地方——南美的Atacama 沙漠平均湿度也有17%。所以理论上来讲,这个设备可以让人在缺水的时候在沙漠中生存下来。
 
他们采用的是一种新型的金属有机骨架材料(metal-organic framework, 简称MOF),这种材料把有机分子和金属原子连接在一起,形成具有很多孔洞的材料(可以想象下瑞士奶酪或者沙琪玛那样的内部结构)。MOF一般有非常大的表面积,比如MOF-177的比表面积大约是5,640 m2/g  ,接近一个面积为7140 平方米的标准的足球场地。巨大的表面积赋予了MOF材料高效的吸附能力。科学家们可以根据需要来设计孔洞的大小和化学性质,从而可以捕捉某种特定的分子或者让其通过。
 
图三展示了这一设备的“原型机”,它的工作原理如下:晚上气温下降的时候,设备打开,空气通过多孔的MOF材料时,水分子就会被吸附在MOF表面上;到了白天,塑料匣子密闭,太阳光照的热量足以让MOF材料释放出水分子,从而形成水蒸气并自然地凝结成水滴。为了便于观察,这张图里研究人员配备了一个冷凝器(condenser),但在实际使用中冷凝器不是必须的,自然冷凝即可。图三右侧显示了不同时间点凝结水量的多少,我们可以看到随着温度逐渐升高,形成的水滴也越来越大。
 
在这之前,包括MOF、沸石和硅胶类在内的多孔材料也能实现吸附水,但往往需要较高能量才能让水分子释放出,而现在太阳光本身的能量即足以让水分子从MOF材料中逸出。用火加热也可以达到这一目的。
 
整个过程仅需要低密度的能量,正是这一新型MOF材料的突破之一。
 
南京师范大学化学与材料科学学院的古志远教授则表示,这一设备的发明也是MOF材料应用的一大突破。以往的MOF材料基本都是粉末的形态,除了在实验室里研究,很少能做成器件。
 
奥马尔·亚基(Omar Yaghi)是约旦裔美国化学家,他是金属有机骨架材料(MOF)的开创者和开拓者,早在20年前他就带领实验室开发出了主要用于储存氢气的MOF材料。 2014年, Yaghi 和他的伯克利团队利用锆和己二酸合成了一种可以用来吸附水的新型MOF材料。他向MIT的机械工程师Evelyn Wang 提议说,双方可以一起利用这种MOF材料来开发一种水收集系统。最终有了这一成果。
 
“我们的愿景是提供一种可以不用电力,只利用太阳能就可以满足一个家庭的水收集设备。对我来讲,由于这一实验,这一愿景正在变得可能。”Yaghi表示当前这套水收集系统只是证明原理上可行,未来依然有很大的提升空间。
 
目前Yaghi团队正在研究提升MOF材料的吸水性能,Evelyn Wang则主攻收集系统。他们会在将来推出更高效的水收集设备吗?让我们拭目以待吧!
 
参考文献:
1.http://science.sciencemag.org/content/early/2017/04/12/science.aam8743
2.https://phys.org/news/2017-04-device-air-powered-sun.html#jCp
3.http://news.berkeley.edu/2017/04/13/device-pulls-water-from-dry-air-powered-only-by-the-sun/
4.http://news.mit.edu/2017/MOF-device-harvests-fresh-water-from-air-0414
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