研究人員使用二氧化硅和金屬有機框架等材料吸收水蒸氣方法

據(jù)悉，得克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員使用一種新型水凝膠材料，能夠在足夠低的溫度下從稀薄的空氣中提取水，并通過一系列的處理步驟將其轉化為純凈的飲用水。

大氣集水從空氣中的濕氣中取水。如果濕度水平足夠高，系統(tǒng)可以將霧通過篩網(wǎng)，或者將空氣冷卻到露點以下，以冷凝水分并收集液態(tài)水。但在低濕度條件和干旱地區(qū)，水蒸氣必須作為氣體直接從空氣中提取。

UT Austin技術針對的是后者。它有兩個關鍵步驟，首先像除濕器一樣收集水，然后釋放出來使用。其他研究人員已經(jīng)研究了使用二氧化硅和金屬有機框架等材料吸收水蒸氣的類似方法，但是存在著“有其優(yōu)缺點”，領導這項研究的得克薩斯大學奧斯汀分校工程教授Guihua Yu說，該研究于9月11日發(fā)表在《美國國家科學院院刊》（https://doi.org/10.1073/pnas.2308969120）上。

許多用于從空氣中吸收水分的材料都有一個特殊的缺點：如果這種物質很容易吸收水分，那么它也需要大量的能量來釋放水分。Yu的團隊開發(fā)了一種新的合成材料，有可能解決這一關鍵問題。這種材料是一種水凝膠，一種天然保留大量水分的聚合物網(wǎng)絡。但與其他水凝膠相比，這種新材料釋放水分所需的能量更少，這使得該系統(tǒng)能夠以陽光為唯一能源運行。

大氣集水的工作原理

這種新型水凝膠的結構使兩個不同的部分配對：一個是吸收和儲存水的位點網(wǎng)絡，另一個是有助于釋放液態(tài)水的熱反應性部分。

在吸收方面，優(yōu)點來自于將鹽離子固定在聚合物結構中。傳統(tǒng)的水凝膠就像摻有鹽離子的“大體積果凍”，有助于吸收和液化蒸汽。然而，Yu說，它們每次釋放水分時都有泄漏這些鹽的風險，而且吸收能力可能會受到限制。通過將鹽離子固定在適當?shù)奈恢?，這種新型水凝膠限制了吸收區(qū)域，以避免這些問題。

同時，凝膠的熱反應性質是釋放儲存水的關鍵。當材料被加熱到閾值溫度以上時，它從保持水分轉變?yōu)榕懦鏊?。通過將熱反應段分散在較小的吸收區(qū)域中，這種材料在相對較低的溫度下釋放水分，這可以單獨使用太陽能實現(xiàn)。水凝膠可以在40°C的溫度下，在大約20分鐘內(nèi)釋放出80%以上的吸收水——雖然需要高溫的條件，但這在沙漠環(huán)境中并不罕見。例如，在菲尼克斯，7月份的平均高溫約為41°C。

Yu說，目前可用的其他集水設備，如Source和Watergen的集水設備，主要用于中等條件下。但Yu和他在德州大學奧斯汀分校的同事們考慮到了干旱的氣候。此前，美國國防部國防高級研究計劃局（DARPA）資助了一項早期研究，旨在幫助駐扎在沙漠條件下的士兵提供飲用水。

雖然這項技術的最終目標是在沙漠地區(qū)使用，但該項目仍然專注于基礎科學，而不是成本等實際問題。水凝膠的成本因材料而異，Yu希望很快開始開發(fā)成本更低、可擴展性更強的技術。

悉尼大學物理化學教授Chiara Neto表示，在目前正在開發(fā)的技術中，其他集水技術可能更接近商業(yè)應用。Neto說，Yu的研究“為如何提高水捕獲過程的效率提供了指導”。然而，它的基本性質意味著，實際考慮不一定是最重要的。

麻省理工學院的研究科學家Lenan Zhang也研究提取大氣水蒸氣的方法，他說，盡管仍有工作需要，但這是“邁向現(xiàn)實世界應用的重要一步”。Zhang說，作為概念的證明，這項基礎科學提供了幫助世界獲得清潔水所需的“上游創(chuàng)新”。

審核編輯：彭菁