如何從乾燥的空氣中捕捉水？前沿

原創 2017-06-28 鄧志有 知識分子

來源：pexels

撰文 | 鄧志有

責編 | 程 莉

《知識分子》微信公眾號：The-Intellectual

這似乎是一個老生常談的話題——你擔心過自己沒水可用嗎？尤其是在這樣炎熱的天氣里。

一個殘酷的現實是，據《科學進展》（Science Advances）去年的一篇報道，有40億人，也就是全球三分之二的人口，每年至少有一個月面臨嚴重的水短缺，更有5億人口全年都要跟嚴重的水短缺作鬥爭。

水從哪兒來？地下、湖泊、河流……人們還為獲取水資源做出了許多努力，如海水淡化，以及南水北調這種對水資源的調配工作。然而不是所有地方都有這樣的條件。

其實，一個巨大的水資源就潛藏在我們周圍，我們很少注意到，也尚未被充分開發利用。

那就是大氣中的水蒸氣。

大氣中大約有1.3萬萬億升（1.3萬兆升）水，相當於地球上所有淡水湖泊總水量的十分之一。搜集露水或者從霧氣中捕獲水分都是利用大氣水分的例子，乾旱地區的生物甚至深諳此道，比如在納米布沙漠中的一種甲蟲每天早上爬到沙丘頂部利用自己的身體搜集露水。南美洲的人們會利用帆布來搜集霧氣。

然而傳統的利用大氣水的方法往往需要100%的相對濕度或者需要消耗大量能量。如何低能耗地從相對乾燥的空氣（相對濕度20%或更低）中捕獲水分？這仍然是個技術難題。

最近，Berkeley和MIT的科學家們（Omar Yaghi 和Evelyn Wang等人）利用一種新型的材料，發明了一個僅利用太陽能就可以從乾燥空氣中捕獲水分的設備，給解決這一問題帶來了希望。

圖一, 智利Atacama 沙漠中的人們通過霧氣搜集來獲取水

來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Fog_collection

4月13日，他們發表在《科學》雜誌的文章稱，一千克新型材料每12個小時可以從濕度為20%的空氣中吸取2.8升的水。撒哈拉沙漠的平均濕度大約是25%。地球上最乾燥的地方——南美的Atacama 沙漠平均濕度也有17%。所以理論上來講，這個設備可以讓人在缺水的時候在沙漠中生存下來。

他們採用的是一種新型的金屬有機骨架材料（metal-organic framework, 簡稱MOF），這種材料把有機分子和金屬原子連接在一起，形成具有很多孔洞的材料（可以想像下瑞士乳酪或者沙琪瑪那樣的內部結構）。MOF一般有非常大的表面積，比如MOF-177的比表面積大約是5,640 m2/g ，接近一個面積為7140 平方米的標準的足球場地。巨大的表面積賦予了MOF材料高效的吸附能力。科學家們可以根據需要來設計孔洞的大小和化學性質，從而可以捕捉某種特定的分子或者讓其通過。

圖二，MOF材料示意圖，線段代表有機分子連接物，交叉點代表金屬原子

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

圖三展示了這一設備的「原型機」，它的工作原理如下：晚上氣溫下降的時候，設備打開，空氣通過多孔的MOF材料時，水分子就會被吸附在MOF表面上；到了白天，塑料匣子密閉，太陽光照的熱量足以讓MOF材料釋放出水分子，從而形成水蒸氣並自然地凝結成水滴。為了便於觀察，這張圖裡研究人員配備了一個冷凝器（condenser），但在實際使用中冷凝器不是必須的，自然冷凝即可。圖三右側顯示了不同時間點凝結水量的多少，我們可以看到隨著溫度逐漸升高，形成的水滴也越來越大。

圖三. 水收集系統工作原理 來源：Science

在這之前，包括MOF、沸石和硅膠類在內的多孔材料也能實現吸附水，但往往需要較高能量才能讓水分子釋放出，而現在太陽光本身的能量即足以讓水分子從MOF材料中逸出。用火加熱也可以達到這一目的。

整個過程僅需要低密度的能量，正是這一新型MOF材料的突破之一。

南京師範大學化學與材料科學學院的古志遠教授則表示，這一設備的發明也是MOF材料應用的一大突破。以往的MOF材料基本都是粉末的形態，除了在實驗室里研究，很少能做成器件。

奧馬爾·亞基（Omar Yaghi）是約旦裔美國化學家，他是金屬有機骨架材料（MOF）的開創者和開拓者，早在20年前他就帶領實驗室開發出了主要用於儲存氫氣的MOF材料。 2014年， Yaghi 和他的伯克利團隊利用鋯和己二酸合成了一種可以用來吸附水的新型MOF材料。他向MIT的機械工程師Evelyn Wang 提議說，雙方可以一起利用這種MOF材料來開發一種水收集系統。最終有了這一成果。

「我們的願景是提供一種可以不用電力，只利用太陽能就可以滿足一個家庭的水收集設備。對我來講，由於這一實驗，這一願景正在變得可能。」Yaghi表示當前這套水收集系統只是證明原理上可行，未來依然有很大的提升空間。

目前Yaghi團隊正在研究提升MOF材料的吸水性能，Evelyn Wang則主攻收集系統。他們會在將來推出更高效的水收集設備嗎？讓我們拭目以待吧！

參考文獻：

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

製版編輯：程莉丨

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