能從空氣中提取水的太陽能供電設備

想像在未來，每家每戶都有一個太陽能供電的裝置，家庭用水全部都可以用這個裝置從空氣中獲得，即使是在乾燥或者沙漠氣候中。

水分收集器。Credit: MIT / laboratory of Evelyn Wang

這個未來即將到來，因為研究者已經展示了一種水分收割機，即使是在濕度僅為20%的環境中(乾旱地區的平均濕度)，也能僅使用周圍的陽光就從空氣中每天提取數升水。

該太陽能水分收割機已被科學雜誌報道，是由麻省理工學院利用金屬有機骨架(MOF)材料建造而成，並在加州大學伯克利分校生產。(先前有篇光信號編碼的文也是用的這個材料)

論文的兩位資深作者之一、加州伯克利大學James and Neeltje Tretter化學客座教授、勞倫斯伯克利國家實驗室的成員、金屬有機骨架開創性研究者奧馬爾·亞吉說道：「對於長久起來從低濕度空氣中抽取水分的研究，這是一個重大的突破。現在還沒有其他方法能做到這一點，除非使用額外的能量。你家裡的電子除濕機產生的水十分昂貴。」

該原型機使用了1千克的MOF，能在20%~30%的濕度條件下，12個小時的工作周期內抽取2.8升的水分。麻省理工學院進行的房頂測試證實該設備能在實際環境中良好地工作。

伯克利全球科學研究所創會理事、Kavli能源納米科學研究所和巴斯夫加州研究聯盟的聯合主任亞吉說道：「我們對未來的預期是發展自有水系統，可以在自家通過周圍的陽光給裝置供電，抽取空氣中的水分以供家用。對我而言，由於這個實驗這將成為可能。我將其稱為私人訂製水。」

亞吉在20多年前發明了金屬有機骨架，將鎂、鋁等金屬與有機分子結合，創造了一種剛性、多孔的結構，十分適用於存儲氣體和液體。自此，世界上各地研究者創造了2萬多種不同的MOF。某些可存儲化學品，如氫和甲烷：巴斯夫化學公司正在測試亞吉的一種MOF材料，準備將其用於天然氣卡車上，因為通過加壓，MOF製作的油箱能儲存3倍的甲烷。

其他MOF能夠從煙氣中捕獲二氧化碳，催化煉油廠中的化學品吸附反應或是石化產品分離。

金屬有機骨架圖解。模型中的線段是有機鏈，交叉點為多金屬單元。奧馬爾·亞吉利用新的網狀化學將這些基本組成單元縫合到一起，形成水晶海綿。黃色球表示孔隙，可儲蓄水分。背景圖顯示的是水分收集器中用到的多個MOF晶體。
Credit: UC Berkeley and Berkeley Lab

在2014年，亞吉和他的伯克利團隊結合鋯金屬和己二酸合成了一種MOF，能夠束縛水蒸氣，於是他建議麻省理工學院的機械工程師Evelyn Wang一起利用這種MOF開發水分收集系統。

Wang和她的學生設計的系統由2磅多塵埃大小的MOF晶體構成，將MOF壓縮在太陽能吸收器和冷凝板之間，放置於暴露在空氣中的腔體中。隨著周圍的空氣擴散通過多孔的MOF，水分子被吸附在內表面。X射線衍射研究表明水蒸氣分子通常八個聚成一組，形成立方體。
陽光透過玻璃窗，加熱MOF，驅使水分穿過冷凝器，水蒸氣凝聚為液態水並滴入收集器中。

Wang說道：「該工作提供了一種從空氣中收集水分的新方法，不需要較高的空氣濕度，相比其他現存的技術能量利用率更高。」

亞吉稱，該水分收集器還有很大的提升空間。現有的MOF只能吸收自重20%的水分，但其他的MOF可以吸收40%以上。針對更高或者更低的濕度，還可改進材料達到更高的效率。

亞吉說：「這並不僅限於說我們只是製造了一個坐在那裡被動收集水分的裝置，我們還建立了理論和實驗基礎，在此基礎上可以測試其他的MOF，製造更多的MOF找到一種最合適的。該裝置還有很大的提升潛力，可以收集更多的水分，只是需要進一步的設計而已。」

亞吉和他的團隊正努力改善他們的MOF，同時Wang繼續改進收集系統以得到更多的水分。

他說道：「為了保證一直都有水運轉，你可以設計一個系統在晚上吸水並在白天變成水蒸氣冷凝成水。或者是設計更高效的太陽能收集器，加速裝置運轉，壓入更多空氣。我們想證實如果你被困在了沙漠中，你可以因為這個裝置得救。一個人每天需要一個可樂罐的水分，而利用本系統就能在不到一個小時內收集到。」

[CliffBao via phys]

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