工程师开发出了一种即使在干旱地区也能从大气中获取水分的装置

该装置使用富马酸铝制成的吸附材料板来吸附水分子。资料来源：Dan Hixson

地球大气层中含有大量的水，足以将犹他州的大盐湖填满 800 倍。提取其中的一些水分被认为是为全球数十亿长期面临缺水问题的人们提供清洁饮用水的一个很有前景的解决方案。

现有的大气集水（AWH）技术在尺寸、成本和效率方面存在诸多弊端。不过，犹他大学工程研究人员的最新研究发现，这种技术可以提高效率，让世界离利用空气作为干旱地区的饮用水源更近一步。

这项研究揭示了首个紧凑型快速循环燃料燃烧式水处理装置。据发表在《细胞报告物理科学》（Cell ReportsPhysical Science）杂志上的这项研究的资深作者、机械工程助理教授萨迈尔-拉奥（Sameer Rao）介绍，这种两步式原型依靠吸附材料从非湿空气中吸附水分子，然后利用热量将这些分子释放成液态。

"吸湿材料本质上与水有亲和力。无论走到哪里，它们都会吸收水分。最好的例子之一就是尿布里面的东西，"拉奥说。"我们使用的是一种特殊的吸湿材料，叫做金属有机框架。"

机械工程师内森-奥尔蒂斯（Nathan Ortiz，左）和萨迈尔-拉奥（Sameer Rao）教授介绍他们开发的一种从大气中汲取淡水的装置。图片来源：Dan Hixson

拉奥将金属有机框架比作乐高积木，可以通过重新排列来构建各种结构。在这种情况下，它们被排列成一种理想的气体分离分子。

"他们可以使其专门吸附空气中的水蒸气，而不吸附其他物质。它们真的很有选择性，"Rao 说。这种原型是与该研究的第一作者、研究生内森-奥尔蒂斯（Nathan Ortiz）合作开发的，它使用富马酸铝制成面板，在空气通过时收集水。

"水分子本身被困在我们材料的表面，这是一个可逆的过程。因此，水分子并没有扎根于材料本身，而是停留在材料壁上，"奥尔蒂斯说。"这些吸水材料的特别之处在于它们拥有巨大的内表面积。水分子有很多地方可以被粘住"。仅一克这种材料的表面积就相当于两个足球场。因此，小小的材料就能捕获大量的水。

拉奥说："所有这些表面积都是分子尺度的。"对我们来说非常棒，因为我们想在这种材料的孔隙内的表面区域捕获水蒸气"。

这项研究的资金来自国防部士兵中心（DEVCOM Soldier Center），该中心是国防部为促进支持陆军现代化的技术转让而实施的一项计划。陆军之所以对该项目感兴趣，是因为士兵在水源稀少的偏远地区执行任务时需要保持水分充足。

拉奥说："我们专门研究了这一技术在国防领域的应用，这样士兵们就有了一个小巧紧凑的制水装置，不需要随身携带一个装满水的大水壶。这将真正做到按需制水"。

拉奥和奥尔蒂斯已根据这项技术申请了初步专利，该技术也可满足非军事需求。

"我们在设计该系统时，也考虑到了更广泛的水资源问题。这不仅是一个国防问题，在很大程度上也是一个民用问题，我们考虑的是一个家庭每天的饮用水消耗量。这大约是每天 15 到 20 升。"

在这次概念验证中，原型实现了每公斤吸附材料每天生产 5 升水的目标。奥尔蒂斯表示，在现场使用的三天时间里，这种设备的性能就超过了包装水。

在该装置的第二步中，使用标准军用野营炉加热，将水沉淀为液体。这是因为其水收集过程具有放热性质。

"当它收集水时，会释放出少量热量。为了扭转这种情况，我们需要增加热量，"奥尔蒂斯说。"我们只需在这下面放一团火焰，任何能让温度升高的东西都可以。随着温度的升高，水分子会迅速释放出来。一旦我们有了真正潮湿的气流，就更容易在环境温度下凝结了。"

大气集水技术刚刚起步，在空气潮湿的环境中更容易实现，但目前还没有一种设备可以在干旱环境中实际使用。奥尔蒂斯相信，他的设备可以成为第一种，主要是因为它可以使用能量密度高的燃料，如野营炉中使用的白色汽油。

研究小组决定不使用光伏技术。

"如果依赖太阳能电池板，就只能在白天工作，否则就需要电池，这只会增加重量，会不断面临堆叠的挑战。"奥尔蒂斯说。"这种技术在干旱条件下更有优势，而在高湿度条件下制冷效果最好。"

编译自/ScitechDaily