从 “天上” 吸水:MIT 科学家发明新型集水系统,可用于沙漠环境

水,对于保证人类生命健康至关重要,对于保护自然生态系统也必不可少。

来自世界卫生组织(WHO)的资料显示,人类个体每天需要 20-50 升无有害化学和微生物污染的饮用水和卫生用水,但在地球上可获得的所有水资源中,仅有约 2.5% 的水为淡水,而且有相当部分的淡水尚无法获取;目前全球 10 亿多人无法获得安全供水,26 亿人缺少适当的卫生设施。而对于一些生活在干旱地区(比如沙漠地带)的人,水资源短缺问题更加严重。
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如果不能从地表获取水资源,从“天上”行不行?即使在地球上最干旱的地方,空气中也有一些水分,而一种可行的集水方法可能是在这些“不适合生存”地方生存的关键。

近日,来自麻省理工学院(MIT)、韩国科学技术院(KAIST)和美国犹他大学的研究团队开发了一个新型系统,这一系统可以利用来自太阳或其他来源的热量直接从空气中“吸水”,即使在干旱地区也可以。该系统可以在低至 20% 湿度的环境下工作,除了阳光或任何其他可用的低等级热源之外,不需要其他能源输入。可能有助于为电力有限的偏远地区提供可持续的水源。

相关研究发表在 Cell Press 旗下的物质科学期刊 Joule 上,麻省理工学院机械工程系主任 Evelyn N. Wang 教授为该论文的通讯作者,现就读于麻省理工的中国留学生 Yang Zhong、Lenan Zhang 和 Lin Zhao,也参与了这一系统的设计。

(来源:Joule)

值得注意的是,早在 2018 年的质谱仪测试结果中就显示,更早版本的系统所收集的水就是一种没有杂质的水。“这表明我们可以获得高质量的水。” Wang 说。

目前,在一天的时间内该系统每平方米可以产生约 0.8 升水,这一生产率或许可能满足某些场景的需求,如果可以进一步优化设计或找到更好吸附材料,提高系统的产水速率,或将可以在缺水地区具有大规模应用的潜力。

源于 3 年前的实验室设计

该系统建立在 3 年前麻省理工学院同一团队成员开发的原型设计基础之上,是一个更加有望成为偏远地区实用水源的系统。Wang 和她的同事展示的早期设备为该系统提供了一个概念验证,该系统利用设备内部的温差,使吸附材料(在设备表面收集液体)在夜间吸收空气中的水分,第二天释放出来。当材料被大阳光加热时,被加热的顶部和阴影下面之间的温度差使水从吸附材料中释放出来,然后把水凝结在一个收集盘上。

但是,这个装置需要使用一种叫做金属有机框架(metal organic frameworks,MOFs)的特殊材料,这种材料价格昂贵且供应有限,而且这个系统的出水量也不足以用于实际生产中。研究人员表示,通过将第二阶段的解吸和冷凝合并,以及使用一种容易获得的吸附材料,该设备的出水量已经显著增加,而且作为一个潜在的广泛应用的产品,它的可扩展性也大大提高了。

图|一种可以直接从几乎干燥的空气中“集水”的新系统(来源:EurekAlert!)

Wang 表示,团队成员认为“我们已经有了一个小的原型,但我们如何才能把它变成一个更具可扩展性的产品呢?”

设计和材料方面的新进展,使得这一想法成为现实。在新的设计中,研究人员使用了一种新型吸附材料(一种沸石,由多微孔磷酸铝铁构成,内表面积大)来替代之前的金属有机框架,这种新型材料容易获得、分布广泛,且性质稳定,可以吸附几乎干燥的空气中所含的微量水分,并具有很好的吸附性能,可以根据昼夜温差和阳光照射,提供一个有效的“吸水”系统。

LaPotin 开发的两阶段设计巧妙地利用了水相发生变化时产生的热量。箱形系统顶部的太阳能吸收板收集太阳光的热量,然后加热沸石,释放出前一个夜晚吸收的水分。蒸汽在集热板上冷凝——这个过程也会释放热量。集热板是在第二沸石层正上方并与之接触的铜片,其中的冷凝热被用来释放下一层的蒸汽,从每一层收集到的水滴可以汇集到一个收集罐中。

图|集水系统模型(来源:Joule)

在这个过程中,该系统的整体产水速率大约是早期版本的两倍,但确切的数字还受当地温度变化、太阳光强度和湿度的影响。Wang 表示,在新冠大流行之前,他们在麻省理工学院的屋顶上对新系统的最初原型进行了测试,与之前的设计相比,该系统的产水速率有了“数量级”的增长。

这个系统更好用

虽然类似的两级系统已经被用于海水淡化等其他应用场景,但 Wang 认为,此前还没有人真正使用这种方法来收集大气水。

现有的大气水收集(AWH)方法包括雾水和露水收集,但两者都有明显的局限性。雾气收集只能在 100% 相对湿度下进行,目前仅在少数沿海沙漠中使用;露水收集需要一个制冷环境“造出”一个冷表面来凝结水分,同时也受环境温度影响,至少需要 50% 的湿度环境。

相比之下,新系统可以在低至 20% 湿度的环境下工作,除了阳光或任何其他可用的低等级热源之外,不需要其他的能源输入。

(来源:Pixabay)

Wang 的研究生 Alina LaPotin 表示,“关键在于这种两级结构”,如今它的有效性已经显示出来了,研究人员甚至可以通过寻找更好的吸附材料来进一步提高生产率。

目前该系统在一天的时间内每平方米可以产生约 0.8 升水,这一生产率或许已经可以满足某些场景的实际需求,但如果可以通过进一步的设计调整和材料选择来提高这一速率,就可能会有大规模应用。此外,这种两级系统还可以适用于其他类型的集水方法,提高系统的日产量。

Wang 表示,他们也将继续探索可以改进该系统的材料和设计,并使其适用于特定应用(比如一种用于军事野外行动的便携式版本),而他们目前正在开发的材料,其吸附量大约是该系统所用沸石的 5 倍,有望提高系统的整体产水速率。

或许在不久的将来,那些生活在干旱地区的孩子们,可以喝到充足、干净的饮用水了。

参考:
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30444-X
https://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-0414
https://news.mit.edu/2018/field-tests-device-harvests-water-desert-air-0322