解决干旱环境中生存用水

  麻省理工联合加州伯克利开发

  MOF材料用于太阳能取水

  太阳能取水装置原型图

  据调查，全世界有21%的陆地面积为沙漠。在如此广阔的沙漠中生存和活动，水资源必不可少。想象一下未来，每个家庭都有一个仅仅使用太阳能来从空气中获得他们每日生活用水的装置，即使是在干旱或者沙漠地区，这将是一件多么美好的事情。

  这一愿景最近取得里程碑进展，本周一种取水装置问世，这种装置仅仅使用太阳光，每天可在湿度低至20%的环境中从空气中提取出好几升水，而这样的低的湿度在干旱地区是非常常见的。

  关于这种太阳能取水装置的报道文章，发表在《科学》杂志上。这种装置由麻省理工构建，使用了由加州大学伯克利分校提供的一种特殊材料——金属—有机框架（MOF）。

  这篇文章的通讯作者之一，加州大学伯克利分校James-Neeltje Tretter化学讲席教授Omar Yaghi说，这对于长期存在的从低湿度空气中提取水分的挑战，是一项重大突破。现在没有实现它的其他途径。而通过用电来实现这一目标花费昂贵。

  原型机在20%~30%的湿度条件下，通过使用1千克（2.2磅）的MOF，能够在12小时内提取2.8升（3夸脱）水分。MIT的屋顶测试显示这种装置可用于真实的环境条件中。

  伯克利全球科学研究院建院院长、卡夫里能源纳米科学研究所联合所长、BASF加州研究联盟联合主席Yaghi说，一项未来愿景是不用再从用水网络中提取生活用水，而只需要在家通过一种装置利用太阳能来获取生活用水。对于我来说，由于这个实验，我认为这将变为现实。我称其为用水个人化。

  神奇材料MOF

  MOF结构示意图

  Yaghi在超过20年前发明了金属-有机物框架这种材料，这种材料将镁或者铝等金属同有机分子结合起来，就像玩具一样形成存储气体和液体的理想多孔结构。至此以后，超过2000种不同的MOF被全世界的研究人员制备出来。有些MOF可以存储氢气或者甲烷，例如化学品公司BASF正在测试Yaghi的一种MOF，将其用于天然气货车，因为MOF填充的容器所能储存的甲烷是压力瓶的3倍。

  其它的MOF能够从废气中捕获二氧化碳，催化化学吸附物的反应或者在加工工厂分离石油化学品。

  装置原理

  在2014年Yaghi和他的加州大学伯克利分校的团队合成了一种MOF，将金属锆和己二酸结合起来，可以吸收水蒸气，他将其告诉给MIT的机械工程师Evelyn Wang，而后他们一起将MOF集成为取水系统。

  Wang和她的学生所设计的系统由多于2磅的尘埃大小的MOF晶体组成，这些晶体被压缩于太阳光吸收器和冷凝板之间，放在一个与空气接触的空腔内。当环境中的空气通过多孔MOF扩散时，水分子更容易附着于内壁。X射线衍射表明水蒸气分子会形成由8个水分子组成的立方体。

  太阳光从一个窗口进入，加热MOF，驱使附着的水分子移向冷凝器，冷凝器同装置外气体温度一致。水蒸气凝结成液态水，流入收集器。

  Wang说，这项工作提供了一种从空气中收集水资源的新方法，这种新方法不需要高的相对湿度条件，并且相比于已有方法能量效率更高。

  后续研究

  Yaghi说，这项概念取水装置还有很多提升的空间。目前的MOF只能吸收自身重量20%的水分，但其它的MOF材料有可能吸收40%或更多。这种材料也可以通过调整，在更高或更低的湿度下更加高效。

  他说，这不仅仅只是一个收集水资源的装置，我们已经打下了实验和理论的基础，以便我们可以对其它种类的MOF进行尝试，从中我们可以发现性能更好的材料。还有很大的潜力将集水量提至更高。这些都是未来的工程任务。

  Yaghi和他的团队正在进行提升他们的MOF的性能的工作，而Wang继续改进取水系统以生产出更多的水。

  沙漠战场环境

  他说，为了保证全天用水，我们可以设计一个系统，这个系统晚上收集水分，白天释放水分。或者我们对太阳光收集装置进行改进，让更多的空气进入，以提高效率。我们想说的是，如果你陷入沙漠深处，你仍然能通过使用这种装置生存下来。一个人每天需要一个可乐罐的量的水。通过使用这一系统，我们可以在不到一个小时内收集到这些水。

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