解決干旱環(huán)境中生存用水

    麻省理工聯(lián)合加州伯克利開發(fā)

    MOF材料用于太陽能取水

    太陽能取水裝置原型圖

    據(jù)調(diào)查，全世界有21%的陸地面積為沙漠。在如此廣闊的沙漠中生存和活動，水資源必不可少。想象一下未來，每個家庭都有一個僅僅使用太陽能來從空氣中獲得他們每日生活用水的裝置，即使是在干旱或者沙漠地區(qū)，這將是一件多么美好的事情。

    這一愿景最近取得里程碑進展，本周一種取水裝置問世，這種裝置僅僅使用太陽光，每天可在濕度低至20%的環(huán)境中從空氣中提取出好幾升水，而這樣的低的濕度在干旱地區(qū)是非常常見的。

    關(guān)于這種太陽能取水裝置的報道文章，發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。這種裝置由麻省理工構(gòu)建，使用了由加州大學(xué)伯克利分校提供的一種特殊材料——金屬—有機框架（MOF）。

    這篇文章的通訊作者之一，加州大學(xué)伯克利分校James-Neeltje Tretter化學(xué)講席教授Omar Yaghi說，這對于長期存在的從低濕度空氣中提取水分的挑戰(zhàn)，是一項重大突破。現(xiàn)在沒有實現(xiàn)它的其他途徑。而通過用電來實現(xiàn)這一目標(biāo)花費昂貴。

    原型機在20%~30%的濕度條件下，通過使用1千克（2.2磅）的MOF，能夠在12小時內(nèi)提取2.8升（3夸脫）水分。MIT的屋頂測試顯示這種裝置可用于真實的環(huán)境條件中。

    伯克利全球科學(xué)研究院建院院長、卡夫里能源納米科學(xué)研究所聯(lián)合所長、BASF加州研究聯(lián)盟聯(lián)合主席Yaghi說，一項未來愿景是不用再從用水網(wǎng)絡(luò)中提取生活用水，而只需要在家通過一種裝置利用太陽能來獲取生活用水。對于我來說，由于這個實驗，我認(rèn)為這將變?yōu)楝F(xiàn)實。我稱其為用水個人化。

    神奇材料MOF

    MOF結(jié)構(gòu)示意圖

    Yaghi在超過20年前發(fā)明了金屬-有機物框架這種材料，這種材料將鎂或者鋁等金屬同有機分子結(jié)合起來，就像玩具一樣形成存儲氣體和液體的理想多孔結(jié)構(gòu)。至此以后，超過2000種不同的MOF被全世界的研究人員制備出來。有些MOF可以存儲氫氣或者甲烷，例如化學(xué)品公司BASF正在測試Yaghi的一種MOF，將其用于天然氣貨車，因為MOF填充的容器所能儲存的甲烷是壓力瓶的3倍。

    其它的MOF能夠從廢氣中捕獲二氧化碳，催化化學(xué)吸附物的反應(yīng)或者在加工工廠分離石油化學(xué)品。

    裝置原理

    在2014年Yaghi和他的加州大學(xué)伯克利分校的團隊合成了一種MOF，將金屬鋯和己二酸結(jié)合起來，可以吸收水蒸氣，他將其告訴給MIT的機械工程師Evelyn Wang，而后他們一起將MOF集成為取水系統(tǒng)。

    Wang和她的學(xué)生所設(shè)計的系統(tǒng)由多于2磅的塵埃大小的MOF晶體組成，這些晶體被壓縮于太陽光吸收器和冷凝板之間，放在一個與空氣接觸的空腔內(nèi)。當(dāng)環(huán)境中的空氣通過多孔MOF擴散時，水分子更容易附著于內(nèi)壁。X射線衍射表明水蒸氣分子會形成由8個水分子組成的立方體。

    太陽光從一個窗口進入，加熱MOF，驅(qū)使附著的水分子移向冷凝器，冷凝器同裝置外氣體溫度一致。水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水，流入收集器。

    Wang說，這項工作提供了一種從空氣中收集水資源的新方法，這種新方法不需要高的相對濕度條件，并且相比于已有方法能量效率更高。

    后續(xù)研究

    Yaghi說，這項概念取水裝置還有很多提升的空間。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。這種材料也可以通過調(diào)整，在更高或更低的濕度下更加高效。

    他說，這不僅僅只是一個收集水資源的裝置，我們已經(jīng)打下了實驗和理論的基礎(chǔ)，以便我們可以對其它種類的MOF進行嘗試，從中我們可以發(fā)現(xiàn)性能更好的材料。還有很大的潛力將集水量提至更高。這些都是未來的工程任務(wù)。

    Yaghi和他的團隊正在進行提升他們的MOF的性能的工作，而Wang繼續(xù)改進取水系統(tǒng)以生產(chǎn)出更多的水。

    沙漠戰(zhàn)場環(huán)境

    他說，為了保證全天用水，我們可以設(shè)計一個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)晚上收集水分，白天釋放水分。或者我們對太陽光收集裝置進行改進，讓更多的空氣進入，以提高效率。我們想說的是，如果你陷入沙漠深處，你仍然能通過使用這種裝置生存下來。一個人每天需要一個可樂罐的量的水。通過使用這一系統(tǒng)，我們可以在不到一個小時內(nèi)收集到這些水。

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