研究人员使用二氧化硅和金属有机框架等材料吸收水蒸气方法

据悉，得克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员使用一种新型水凝胶材料，能够在足够低的温度下从稀薄的空气中提取水，并通过一系列的处理步骤将其转化为纯净的饮用水。

大气集水从空气中的湿气中取水。如果湿度水平足够高，系统可以将雾通过筛网，或者将空气冷却到露点以下，以冷凝水分并收集液态水。但在低湿度条件和干旱地区，水蒸气必须作为气体直接从空气中提取。

UT Austin技术针对的是后者。它有两个关键步骤，首先像除湿器一样收集水，然后释放出来使用。其他研究人员已经研究了使用二氧化硅和金属有机框架等材料吸收水蒸气的类似方法，但是存在着“有其优缺点”，领导这项研究的得克萨斯大学奥斯汀分校工程教授Guihua Yu说，该研究于9月11日发表在《美国国家科学院院刊》（https://doi.org/10.1073/pnas.2308969120）上。

 

许多用于从空气中吸收水分的材料都有一个特殊的缺点：如果这种物质很容易吸收水分，那么它也需要大量的能量来释放水分。Yu的团队开发了一种新的合成材料，有可能解决这一关键问题。这种材料是一种水凝胶，一种天然保留大量水分的聚合物网络。但与其他水凝胶相比，这种新材料释放水分所需的能量更少，这使得该系统能够以阳光为唯一能源运行。

大气集水的工作原理

这种新型水凝胶的结构使两个不同的部分配对：一个是吸收和储存水的位点网络，另一个是有助于释放液态水的热反应性部分。

在吸收方面，优点来自于将盐离子固定在聚合物结构中。传统的水凝胶就像掺有盐离子的“大体积果冻”，有助于吸收和液化蒸汽。然而，Yu说，它们每次释放水分时都有泄漏这些盐的风险，而且吸收能力可能会受到限制。通过将盐离子固定在适当的位置，这种新型水凝胶限制了吸收区域，以避免这些问题。

同时，凝胶的热反应性质是释放储存水的关键。当材料被加热到阈值温度以上时，它从保持水分转变为排出水分。通过将热反应段分散在较小的吸收区域中，这种材料在相对较低的温度下释放水分，这可以单独使用太阳能实现。水凝胶可以在40°C的温度下，在大约20分钟内释放出80%以上的吸收水——虽然需要高温的条件，但这在沙漠环境中并不罕见。例如，在菲尼克斯，7月份的平均高温约为41°C。

Yu说，目前可用的其他集水设备，如Source和Watergen的集水设备，主要用于中等条件下。但Yu和他在德州大学奥斯汀分校的同事们考虑到了干旱的气候。此前，美国国防部国防高级研究计划局（DARPA）资助了一项早期研究，旨在帮助驻扎在沙漠条件下的士兵提供饮用水。

虽然这项技术的最终目标是在沙漠地区使用，但该项目仍然专注于基础科学，而不是成本等实际问题。水凝胶的成本因材料而异，Yu希望很快开始开发成本更低、可扩展性更强的技术。

悉尼大学物理化学教授Chiara Neto表示，在目前正在开发的技术中，其他集水技术可能更接近商业应用。Neto说，Yu的研究“为如何提高水捕获过程的效率提供了指导”。然而，它的基本性质意味着，实际考虑不一定是最重要的。

麻省理工学院的研究科学家Lenan Zhang也研究提取大气水蒸气的方法，他说，尽管仍有工作需要，但这是“迈向现实世界应用的重要一步”。Zhang说，作为概念的证明，这项基础科学提供了帮助世界获得清洁水所需的“上游创新”。

 

        审核编辑：彭菁