知识之窗 | 怎样才能从空气中“榨”出水来,并且零耗能呢?
看温州客户端 2018-09-04 14:53:38

想象一下如果你掉进大海里,周围都是海水,你却一口也不能喝;如果你迷失在沙漠中,也会遇到同样的情形,干渴无比,周围的水却解不了你的燃眉之急——即使在最干旱的地方,空气中也满满都是水分子——可你却无法利用。




收集雾,榨出水

现有的设备是能将空气中的水蒸气转变成液态水,但是这些设备体积庞大,十分耗能。6 月 8 日发表在《科学进展》(Science Advances)上的两项研究,各提出了一种从空气中“榨出”水的妙计,一种零能耗,另一种能耗也很少。这些技术不能彻底解决全人类的用水问题,但是在气候变化造成严重破坏的情况下,对增加干旱地区的供水大有裨益。

第一种技术没有提出新概念,而是从现有的概念改进而来:收集雾。雾由无数微小的水滴组成。将这些水滴收集起来,积少成多,你就能得到一杯水。这种技术在智利已有先例,人们用细网收集雾中的水滴,然后将其导入管道内以作饮用之需,甚至还能用来做啤酒。

听上去很棒对吧,但还不够完美。论文作者之一,麻省理工学院(MIT)的机械工程师克利帕·瓦拉纳西(KripaVaranasi)评价道:“这种被动式雾收集器的效率极低,仅有1%~2%,”当含有雾气的风穿过收集网时,大部分都会从网的空隙之间流走,所以收集足够的水要花上很长时间。那就把网再做密一点呢?还是不行,这样风就会直接绕过收集网了。

真正实用的,是收集网能够主动吸引水滴。为了达到这个目标,瓦拉纳西想到了电场。在实验室里,他将雾气通过能产生带电空气原子的离子发射器。瓦拉纳西描述道:“在离子运动的过程中,它们会被水滴捕获,使水滴带电。”

这些带电水滴很容易被收集网吸引。请看下面的小视频:一开始雾气正常流动。一旦打开了离子发射器,雾气就全部流向了收集网。收集效果非常好,那些一开始原本会穿过收集网的水滴又会通过U型运动折回到收集网中,效率高达 99% 。收集到的雾气变成液态水,滴入下面的玻璃杯中。

这项技术有点酷对不对?从理论上讲,任何一个有清洁雾源的地区都可以装一套这种由细网和离子发射器组成的装置。离子发射器需要高压供电,但产生的电流很小。实验室中,每平方米细网能耗为 60W。与之相比,在印度等缺水地区应用的另一种技术——像冰箱一样将水蒸气冷凝下来的“水蒸气冷凝器”能耗就大很多了。

电离固然有效,但也不是随便有点雾的地方都能用上这项技术。你得准备一套系统,还得知道什么时候打开开关。研究水蒸气冷凝技术的化学工程师格雷格·彼得斯(Greg Peters)说:“要想把实验成果转化为一个可行的供水系统,你必须得知道什么时候是有雾的。如果它就那么放在山顶上,天天被雷击,那钱就白花了。”

这项技术甚至可以应用到发电厂,尤其是喷出水汽的冷却塔中。冷却需要用到大量的水,比如美国将 39% 的淡水用于发电厂。发电厂一年的用水量可供 10 万人使用。瓦拉纳西说:“我们可以收集产生的水蒸气”,而其他技术就无法做到这点。

蓄水的“电池”

但如果想用收集雾的方法得到液态水,首先得有雾,这样沙漠地区就不符合条件了。所以有了第二种新技术。加州大学伯克利分校的研究者研制出了一种“水电池”:晚上收集,白天产水。

水电池基于一种金属-有机框架结构:金属锆和有机碳原子结合成粉末,形成一种多孔的框架结构。这有点像一只吸水的“海绵”。

论文作者之一,化学家尤金·卡普斯汀(Eugene Kapustin)解释道:“如果你把它暴露在潮湿的空气中,框架材料会吸收水分子直至饱和,由于水分子能粘附在框架的内壁上,只要加热粉末,我们就能得到液态水。”

研究者将这种金属-有机材料撒在盒子顶部,然后把放有材料的盒子放在另一个有盖的透明盒子中。晚上的空气相对潮湿,他们将盒子打开,让空气进来。卡普斯汀说道:“白天我们把外层的盒盖打开,把材料暴露在阳光下就行。”这样材料被加热,里面的水就会蒸发并沿盒壁凝结。5 个小时之后,外面的盒子底部就能收集到液态水。

当然,水电池现在生产水的量还比较少:每2磅(0.91 kg)金属-有机材料能产生7盎司(0.2 L)水。研究者还在研究一种新型铝基材料,以求成本更低、效率翻倍。找个大盒子多放点粉末,你就能收集到更多的水。

水电池能承受至少 150 次循环而不产生性能退化。卡普斯汀说道:“我们分析了收集到的液态水的纯度,没有检测到任何从水电池上脱落下来的有机或无机部分,所以材料很稳定,装置的性能也不会随使用次数增多而退化。”

此外,这个系统的优点在于它不需要来自人类的主动供能——使用的能量完全来自于太阳。它在野外也能发挥作用——在美国亚利桑那州(Arizona)的试验中,尽管白天的湿度降到了8%,研究者也能用这个装置收集到液态水。

当然,类似的技术并不能解决全世界的用水难题。但是却能在缺水地区实现水资源的多样化,这是一条很重要的原则——只靠水管输送远方的降雨,你简直在自找麻烦。虽然目前类似金属-有机框架、收集电离雾这样的技术并不是哪里都适用,但终有一天,他们会阻止人类走上资源耗尽的穷途末路。