如何從乾燥的空氣中獲取水資源？MOF＋太陽能！

導讀

為了更加有效的利用水資源，美國科學家設計了一種由MOF材料做成的水分採集裝置，它不僅完全由太陽能驅動，而且在空氣乾燥的地區也能採集水分。

技術關鍵字

MOF、太陽能

關鍵知識

今天將要介紹的這種新型裝置中，採用了一種十分關鍵的材料，也是該裝置的核心技術所在，所以要首先介紹一下：

MOF示例

(圖片來源於：維基百科)

「金屬-有機框架」（Metal-Organic Frameworks）簡稱：MOF，是由有機配體和金屬離子或團簇，通過配位鍵自組裝形成的具有分子內孔隙的有機-無機雜化材料。

這種材料具有以下幾點重要特性：（1）多孔性及大的比表面積；（2）結構和功能多樣；（3）不飽和金屬位點，這些特性也促使這種材料具有強大的吸附功能和催化功能。

全球科學家一共創造出了2萬多種不同的MOF ，其中一些可以存儲例如氫氣和甲烷這樣化學物質，另外一些則可以從煙道的廢氣中吸收二氧化碳，促進吸收的化學物質進行反應，或者在加工廠分離石油化工產品。

關於這種MOF的應用，John之前在《新型電子鼻：可以檢測殺蟲劑和神經毒氣》中，也有過相關介紹，有興趣的朋友也可以參考一下。

創新背景

水資源短缺，是人類需要共同面臨的問題，也已經嚴重影響到世界上很多國家和地區，另外隨著人口增長和氣候變暖，這一問題變得日益嚴峻。

全世界都在共同應對這一問題，除了節約用水以外，更加有效的利用水資源變得越發重要。在「回南天」這樣的潮濕氣候條件下，我們會容易想到利用水資源的一種方法：採集空氣中的水分。

更大膽一點設想：

也許未來，我們每個家庭中都會擁有這樣一種裝置，無論是乾燥還是潮濕的天氣眾，它都能從空氣中吸收水分，滿足一家人日常生活的需求，更重要的是，這種設備的運行還是依靠太陽能，一種廉價而清潔的能源。

也正如我們所設想，世界上不少國家（例如智利和摩洛哥）的沿海地區，已經採用了這樣的水分採集系統。眾所周知，沿海地區往往空氣濕度較高，正好可以滿足這樣的水分採集系統。一般來說，它要求的相對濕度要達到100%。但是，這麼高的濕度條件，世界上也只有少數地區具備。另外，這種水分採集系統造價也十分昂貴。

所以，在某些乾旱地區，採用了一種露水採集的系統，這種系統的表面很冷，夏天的時候，水氣會在這樣冰冷的玻璃表面凝結，但是為了保持其表面冷卻，它耗費的能量也十分大，是典型「能源密集型」的。即使這樣，這個系統在低於50%的濕度條件下，也還是無法工作。

創新探索

然而，最近刊登在《科學》雜誌上的一項創新研究，有利於解決水分採集系統目前遭遇的關一些鍵瓶頸，例如：受濕度影響、耗費能量大，價格昂貴等。

（圖片來源於：Hyunho Kim/麻省理工學院）

這種新型裝置由美國麻省理工學院和加州大學伯克利分校聯合開發，它採用特殊材料MOF（類似泡沫狀）做成。

它幾乎可以用於任何地點，而不受當地濕度的影響，濕度條件低至20%，一般是沙漠地區的濕度條件。

另外，這種水分採集裝置完全由太陽能供電，十分節能環保。另外，這個系統實際上或許連太陽能都不需要，它只需要一些熱量源，例如燒柴的火。對此，研究團隊成員之一、麻省理工學院的博士後 Sameer Rao 的說：

「由許多地方都可以找到可燃燒的物質，並且缺水。」

在20%到30%的濕度條件下，該裝置能夠在12小時內，使用1千克MOF，從空氣中採集2.8公升的水分。

研究人員在麻省理工學院的天台上進行了測試，證明該裝置可在現實條件下運作。

關鍵技術

正如我一開始提到的，這個新系統的關鍵技術在於多孔材料本身，也就是一種MOF材料。

圖解：這種MOF的原理圖。圖中的線條是有機連接鏈，交叉點是金屬離子。Yaghi使用網狀化學將這些結構單元連接成晶體狀海綿。黃色的球代表孔隙空間，可以充滿液體或者氣體。背景圖片現實了不同的MOF晶體，它們存在於水分採集器中。

（圖片來源於：伯克利實驗室）

20多年之前，論文的兩個高級作者之一、加州大學伯克利分校化學系主席、勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家 Omar Yaghi 發明了MOF，這種框架將鎂和鋁這樣的金屬和有機分子相結合，結合的方式如同「萬能工匠」積木一般，從而設計出剛性、多孔的結構，有利於存儲氣體和液體。

2014年，Yaghi 教授和加州大學伯克利分校的團隊合成了一種MOF（金屬鋯和己二酸的結合），能夠綁定水蒸氣。這些化合物有點類似海綿，有著巨大的內部表面積，通過改變MOF的化學組成，這些表面可以具有親水性或者吸水性。

在麻省理工學院的教授Evelyn Wang的幫助下，他們一起合作將MOF融合進集水系統中去。這個系統重達兩磅多，如同灰塵般的MOF晶體，經過壓縮後，放置於對於空氣開放的腔體中。該腔體位於於太陽能吸收器和冷凝器片之間。

頂部的太陽能吸收器是黑色的，用於吸收太陽能。當周圍的空氣擴散通過多孔MOF時，水分子會首先附著於內部表面。通過太陽照射後，MOF被加熱，並且驅動附著的水分向冷凝器移動。然而，冷凝器的溫度和外部空氣的溫度相同，水蒸汽冷凝成液體後，滴進採集器中。

麻省理工學院屋頂上的水分採集器。MOF材料位於頂部玻璃片下方，當太陽光加熱MOF後，它會吸收水分。黃色和紅色的冷凝器位於頂部，上面有水滴。

（圖片來源於：Hyunho Kim/麻省理工學院）

創新價值

對於這項技術的創新價值，我們聽聽Yaghi 教授的說法：

「在低濕度條件下，從空氣中吸收水分，是一個由來已久的挑戰，而現在取得了重大突破。目前，沒有其它途徑能這麼做，除了使用另外的能量。你家中的電動除濕器雖然能『生產』出的水分，但是十分昂貴。」.

「為了保證水分一直運行，你要設計一個可以在夜間吸收濕汽的系統，並且在白天繼續工作。或者你要設計一個太陽能採集器，讓它的速度更快，從而讓更多的空氣可以進來。我們希望展示如果你受困於沙漠中的某個地方，你能夠依靠這個裝置生存。一個人一天大約需要一個可樂罐的水分。通過這個系統，一個人用不到一小時的時間，就可以採集到這麼多水分。」

可見，這個系統能夠足夠高效的採集和生產水分，不僅有望應用於家庭生活用水，還可以用於戶外應急用水。

未來展望

Yaghi教授稱，這種水分採集器，目前還處於概念驗證階段，所以有很多提升的空間。目前的這種MOF，能夠吸收的水分只達到它的重量的20%，但是其它MOF材料則可以吸收40%或者更多。這種材料還可以進行更多的調整，從而在更高或者更低的濕度級別下，更加的有效。他說：

「我們不是僅僅設計了一種被動設備，坐在那裡採集水分，我們現在已經奠定了實驗和理論基礎，讓我們可以篩選其它MOF（可以製造出的MOF達幾千種），從而尋找更好的材料。我們有很多途徑擴大採集的水分量。目前，這只是進一步的工程問題。」

Yaghi 和他的團隊正在致力於提升MOF，而Wang繼續提升採集系統從而生產更多的水。

參考資料

【1】http://news.berkeley.edu/2017/04/13/device-pulls-water-from-dry-air-powered-only-by-the-sun/

【2】http://news.mit.edu/2017/MOF-device-harvests-fresh-water-from-air-0414

【3】http://science.sciencemag.org/content/early/2017/04/12/science.aam8743?utm_source=SciPak%20%28updated%204/7/2017%29&utm_campaign=d3f83f5709-EMAIL_CAMPAIGN_2017_04_07&utm_medium=email&utm_term=0_10c5e799a3-d3f83f5709-126625361

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