新型節(jié)能水凝膠從空氣中吸水 或?qū)⒏淖內(nèi)蛩疇顩r

據(jù)悉，得克薩斯大學(xué)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(zhuǎn)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(diǎn)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(shù)針對(duì)的是后者。它有兩個(gè)關(guān)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(jī)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(diǎn)”，領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的得克薩斯大學(xué)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(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（https://doi.org/10.1073/pnas.2308969120）上。

THE UNIVERSITY OF TEXAS AT AUSTIN

許多用于從空氣中吸收水分的材料都有一個(gè)特殊的缺點(diǎn)：如果這種物質(zhì)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(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的合成材料，有可能解決這一關(guān)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(luò)。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(yáng)光為唯一能源運(yùn)行。

大氣集水的工作原理

這種新型水凝膠的結(jié)構(gòu)使兩個(gè)不同的部分配對(duì)：一個(gè)是吸收和儲(chǔ)存水的位點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，另一個(gè)是有助于釋放液態(tài)水的熱反應(yīng)性部分。

在吸收方面，優(yōu)點(diǎn)來自于將鹽離子固定在聚合物結(jié)構(gòu)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(shí)都有泄漏這些鹽的風(fēng)險(xiǎn)，而且吸收能力可能會(huì)受到限制。通過將鹽離子固定在適當(dāng)?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(shí)，凝膠的熱反應(yīng)性質(zhì)是釋放儲(chǔ)存水的關(guān)鍵。當(dāng)材料被加熱到閾值溫度以上時(shí)，它從保持水分轉(zhuǎn)變?yōu)榕懦鏊?。通過將熱反應(yīng)段分散在較小的吸收區(qū)域中，這種材料在相對(duì)較低的溫度下釋放水分，這可以單獨(dú)使用太陽(yáng)能實(shí)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(shè)備，如Source和Watergen的集水設(shè)備，主要用于中等條件下。但Yu和他在德州大學(xué)奧斯汀分校的同事們考慮到了干旱的氣候。此前，美國(guó)國(guó)防部國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）資助了一項(xiàng)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(xiàng)技術(shù)的最終目標(biāo)是在沙漠地區(qū)使用，但該項(xiàng)目仍然專注于基礎(chǔ)科學(xué)，而不是成本等實(shí)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(kuò)展性更強(qiáng)的技術(shù)。

悉尼大學(xué)物理化學(xué)教授Chiara Neto表示，在目前正在開發(fā)的技術(shù)中，其他集水技術(shù)可能更接近商業(yè)應(yīng)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(dǎo)”。然而，它的基本性質(zhì)意味著，實(shí)際考慮不一定是最重要的。

麻省理工學(xué)院的研究科學(xué)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(shí)世界應(yīng)用的重要一步”。Zhang說，作為概念的證明，這項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)提供了幫助世界獲得清潔水所需的“上游創(chuàng)新”。