大气集水

在经历了三年的干旱之后，2018年1月，南非城市开普敦距离关闭水龙头只有90天了。官员们警告说，届时居民将不得不从200个集中供水中心收集定量供水。结果，水龙头一直开着。这在很大程度上要归功于宣布后消费的急剧下降。游泳池注水和洗车都被禁止。活动口号“如果它是黄色的，就让它变得醇香”大幅削减了国内使用量，脏衬衫比赛也是如此，要求参与者在洗涤之间尽可能长时间地穿衣服。对农业用水实行配额，以及雨水回流到该地区，也有助于补充城市的水库。

但是，尽管开普敦险些成为第一个缺水的世界主要城市，但其他主要城市可能就没有那么幸运了-包括伦敦。英国环境局一再警告说，除非我们改变浪费水的方式，否则到2050年，伦敦和英格兰东南部的其他地区将没有足够的水。环境署首席执行官詹姆斯·贝文(James Bevan)在2019年3月的一次会议上说，我们需要让浪费水成为社会上不能接受的行为，就像向婴儿脸上喷烟或把塑料袋扔进大海一样。

科学家估计，每年至少有40亿人生活在淡水严重短缺的地区。预计到2050年，这一数字将上升到48亿至57亿之间。原因包括气候变化、受污染的供水以及由于人口增长和使用行为变化而导致的需求增加。

很难说服消费者减少消耗的一个原因是，人们认为水无处不在。地球表面确实有超过70%的面积被水覆盖。然而，其中只有大约2.5%是淡水，其余的是盐水。大部分淡水被锁在冰帽、冰川和永久积雪中。地球上可供饮用的水不到1%。

我们星球周围的水蒸气含量是所有河流的6倍多。

人们越来越多地寻求技术解决方案来满足我们日益渴求的世界。海水淡化厂，即从海水中剥离盐分的工厂，正在经历一个巨大的恩惠。但另一个鲜为人知的技术家族也开始流行起来：大气水收割机。

顾名思义，这些设备可以从大气中捕获水。这些技术包括能够从我们周围的空气中捕获气态水(蒸气)和液态水(液滴)的技术。

美国加利福尼亚州SkySource集水公司的联合创始人大卫·赫兹解释说：“在任何给定的时间里，我们星球周围的水蒸气含量是所有河流的6倍多。”

从大气中捕获水蒸气的技术已经商业化几十年了，今天有70多家公司出售了用于这一目的的设备。到目前为止，部署大气水收集器的情况包括在偏远干旱地区，在救灾期间，当地饮用水供应受到污染，在行动期间被军队污染，在淡水供应有限的偏远度假胜地。

大多数商业上可用的大气水收集器都会模仿清晨植被上露水的形成方式，以及当我们把凉爽的物品从冰箱里拿出来时，它们是如何凝结的。当热空气接触到凉爽的表面时，它会迅速冷却。如果这个温度低于一定的温度，也就是露点，空气中的水蒸气就会凝结成液相。然后收集在表面形成的水滴。

这些设备中的大多数与机械除湿器的操作方式相同：风扇引导空气通过冷却盘管，空气中的水在该盘管上冷凝。加拿大温哥华Atmoswater Research咨询公司的罗兰·沃尔格伦(Roland Wahlgren)解释说，它们与机械除湿器有两个主要方面的不同。首先，健壮性-水收集器被设计为全天候运行，而不是循环开启和关闭。其次，机器内置了饮用水质量控制装置。沃尔格伦说，盘管上涂有食品级涂层，这样收集的水就不会暴露在金属污染中，而且空气过滤器的质量比除湿器高得多。

但中国上海交通大学制冷工程学教授王如竹解释说，尽管这种类似除湿机的集水技术已经存在了一段时间，但“市场仍然很小”。他补充说，原因是高能耗和初始投资成本。另一个问题是水收集效率，特别是在干燥的沙漠条件下，那里可能最需要集水技术。大气必须是潮湿的，才能用这些工具吸收大量有用的水蒸气。

这些都是2016-2018年举办的水丰度X奖致力于解决的问题。任务是使用可再生能源每天从大气中提取至少2000L的水，费用为0.02美元/L或更少(GB 0.016/L，考虑到启动费用)。获胜者是由SkySource开发的Wedew(木材到能源的可部署应急水)。

Wedew由生物质气化炉发电机供电，该发电机将木屑等生物质转化为电力、生物炭和湿热空气。正是湿热的空气对Wedew的水捕获效率至关重要，它在设备内部创造了一个有效的热带雨林般的环境。“我们对周围的气候是不可知的，”赫兹解释说。他补充说，空气的温暖还意味着“我们可以在环境温度表面上产生凝结”。由于环境表面温度自然低于湿热空气的露点，因此不需要制冷剂或能源来冷却收集水的表面，从而降低了运行成本。

为了帮助为这一努力提供资金，以及出售水，Wedew的用户可以同时出售热解过程中的多余能源和生物炭。赫兹说，他还希望与政府机构和非政府组织合作，支持发展中国家购买Wedew。

他说，我们目前正处于商业化的早期阶段。目前正在对一些设备进行测试，并计划进行大规模的全球案例研究。赫兹补充说，在接下来的两年里，我们希望测试不同的气候、不同的原料和不同的文化。

在较冷的盘状表面上冷凝是最成熟的水蒸气收集技术，但另一种方法正开始获得吸引力-使用干燥剂。这些吸湿材料就像海绵一样吸水；众所周知的干燥剂例子包括用于婴儿尿布的聚丙烯酸钠和一些电子设备运输过程中使用的硅胶袋。干燥剂，如氯化锂溶液和硅胶，也用于一些商用除湿器。

在这种类型的收割机中，水分通过温和的加热从“海绵”中解吸出来。王说，与冷凝器为基础的技术相比，使用干燥剂的空气水收集技术能耗更低，抽水效率更高。他补充说，干燥剂集水(也是)在干旱或沙漠地区实现空气集水的唯一合理方式。

第一台带干燥剂的大气收水机于2017年投放市场。水源水电板由零质量水公司开发，是一个离网的独立系统，由集成的太阳能电池板供电。一个典型的双面板装置每天产生大约10L的水；这个量根据湿度水平和日照时间的不同而变化。到目前为止，Source水电板已经在超过35个国家安装。这种液体干燥剂是由美国亚利桑那州立大学科迪·弗里森的材料科学实验室开发的。它的成分，与为此目的而商业化的其他干燥剂相同，尚未披露。

一种更大的含有液体干燥剂的大气水收集器现在正走向市场：由水收集公司Drupps开发的Drupps概念。它的原型位于该公司位于瑞典乌普萨拉的总部，每天生产3000升水。Drupps的联合创始人Fredrik Edström解释说，这种设置是模块化的，可以添加额外的干燥剂模块，以适应更干燥的气候，或者如果需要更多的水，Drupps的联合创始人弗雷德里克·埃斯特伦(Fredrik Edström)解释说。

Drupps概念的第一个模块使用风扇引导气流通过含有干燥剂的储气罐。埃德斯特伦说，液体干燥剂分布在内部面积非常大的结构上。干燥剂然后被泵到第二个模块，在那里提取水。接下来是治疗步骤。处理并不是严格必要的，因为它是生产纯蒸馏水-但许多大气水收集器这样做，以确保水的潜力，将储存任何时间，也添加矿物质的味道原因。埃德斯特伦解释说，脱盐水尝起来很“怪异”。

因为Drupps的概念不是便携式的，而且依赖外部电源，所以它的目标市场与一些竞争对手不同。据Edström称，目标是电力部门，在那里生产的水可以用于冷却塔。他补充说，我们还在考虑为食品和饮料生产提供安全的水源。我们正在讨论我们的第一个客户项目，但冠状病毒的爆发已经放慢了速度。

正在探索的用于大气集水目的的下一代干燥剂包括复合吸附剂，如王正在开发的活性炭-氯化锂，以及金属-有机骨架(MOF)。Omar Yaghi在美国加州大学伯克利分校的化学实验室开始使用MOF来捕获水，现在正由他的衍生公司Water Collesting进行推广。1个。

第一批水分子聚集在一起形成种子，然后其他水分子结合到种子上。

MOF具有非常大的内表面积，这意味着它们的毛孔中可以容纳大量的水。此外，当它们被用来取水时，还有一种协同效应。Yaghi解释说：“第一批水分子聚集在一起形成种子，然后其他水分子结合到种子上。”“一开始吸水率很低，然后因为毛孔完全被填满了，所以在趋于平稳之前，吸水率会显着增加。”

财政部的集水技术已经通过了许多原型，这些原型已经在亚利桑那州和莫哈韦沙漠进行了测试。Yaghi说，我们可以在7%-20%的相对湿度下取水，这是夏天沙漠中午的相对湿度。

第一个原型是一个简单的盒中塑料盒结构。容纳MOF的内部盒子在夜间向空气开放。“水进入MOF，然后你在白天关闭设备。”Yaghi说，在沙漠的阳光下，里面会变热，水就会出来。水凝结在外箱的内壁上，因为外面的空气温度低于箱内空气的露点。

这个初步设计根据大气湿度水平，每公斤MOF产生200-300毫升的水。为了提高每公斤材料的产水量，研究小组进行了一系列调整，包括增加太阳能电池板。Yaghi解释说，太阳能电池板为小型风扇提供电力，这些风扇将空气推入MOF内，然后在时机成熟时，加热MOF以清除水分。“这个过程所需的能量不是很高，因为水没有紧紧地绑在孔隙里。”

太阳能电池板和电池的使用意味着，MOF不是一个昼夜循环，而是一天24小时，每小时最多可以充满和排空10个循环。Yaghi说，我们现在每天每公斤收集的水量几乎增加了一个数量级。

集水正在开发大小不一的设备，从为家庭生产饮用水的小型厨房台面收割机，到收集工业用水或向偏远村庄社区供水的大型设备。矢吉解释说，我们希望在新冠肺炎的情况稳定下来后推出我们的下一个原型。

水凝胶是另一种正在探索的干燥剂材料。这些聚合网络可以吸收极大量的水。开发集水凝胶的科学家包括上海的王和美国得克萨斯大学奥斯汀分校的于桂华。

Yu正在开发一种双组分水凝胶，其中包含具有吸湿性的聚吡咯氯化物，可以穿透聚N-异丙基丙烯酰胺的网络。2后一种聚合物具有热响应性，在大约体温下从亲水转变为疏水。当水凝胶暴露在空气中时，聚吡咯氯化物吸收水蒸气。一旦充满，网络被轻微升温，以触发聚N-异丙基丙烯酰胺从亲水转变为疏水，因此水滴将被释放。俞敏洪解释说：“这种设计涉及到热响应性聚合物，在释水步骤中只需要很少的能量。”

2019年1月，俞敏洪公布了他的第一个原型的设计和测试细节。这项测试是在他位于奥斯汀的大学大楼的屋顶上进行的。装有水凝胶的网袋首先被悬挂在空气中收集水分。然后将它们放入密封的玻璃容器中，以便太阳变暖，从而释放水分。俞敏洪说：“我们发现，一个周期需要大约45分钟的吸收，然后5-10分钟的水分释放。”在10天的测试中，研究小组每天运行大约20个周期，发现收集的水量在白天随着湿度水平的变化而显著变化。他解释说：“我们每天每公斤凝胶可以获得大约25-30L的水。”

俞敏洪说，他目前正专注于降低水凝胶的成本，并为这项技术的“更商业化的演示”找到合适的合作伙伴。

基于冷凝和干燥剂的大气水收集器都可以收集水蒸气。这种类型的第三种技术可以收集已经存在于气雾收割机中的液态水滴。

用于收集雾水的巨大织物网已经在世界上既缺水又经常有雾的地方运行了几十年，比如阿塔卡马和纳米布沙漠。雾在海岸和山上形成得特别好。目前的研发重点是开发新型的网眼和涂层，以提高水的捕集效率。传统的网状物每平方米每天只能收集大约3L的水。

这些新的设计很多都是受自然的启发。例如，香港大学的王丽秋(音译)一直在试验模仿蜘蛛网的网。美国宾夕法尼亚州立大学的王德成(Tak-Sing Wong)一直在模仿猪笼草和稻叶的设计。仙人掌般的结构和那些模仿纳米布沙漠甲壳虫外壳的结构也在其他地方开发中。

王使用微流控技术来模拟蜘蛛网的结构和微尺度的表面粗糙度。他解释说，聚合物和海藻酸钠在水中的混合物“通过流动过程”产生一层非常薄的液体。在这个薄薄的液体层中，氮气气泡被注入到非常严格限定的位置。然后将液体放入具有吸湿性的氯化钙中使其凝固。当纤维凝固时，纤维中的气泡形成王所说的结的结构，正是这些结构提供了所需的结构和表面粗糙度。

2017年，他的团队报告了对他的多节超细纤维的实验室测试，发现捕水效率是传统雾捕集网的“2到7倍”(取决于环境条件)。“从那时起，我们一直在不断改进纤维性能，”王解释说。他说，我们还没有达到可以将我们的技术商业化的阶段，但我们仍在计划这样做。

王在美国的实验室正在开发的网状物涂层专注于提高捕获的水滴从网状物中滑落收集的简易性。他解释说，在目前的雾气收集机中，水滴会粘在材料上。“表面化学可以非常有效地捕获空气中的水滴，一旦被吸收，它们就可以很快被去除，因为我们在材料上形成了一层光滑的涂层。”在2018年的一篇论文中，该团队报告说，与用于这一应用的传统拒液表面相比，情况有了“戏剧性”的改善。

王的涂层有两层聚合层。较低的一种，具有微米和纳米级的粗糙度，模仿水稻叶片的疏水表面。和半永久性的上层润滑层，类似于猪笼草叶子的光滑表面-正是这种特性使U型叶子能够如此有效地诱捕昆虫猎物。“我们有一项美国专利，所以我们正在寻找合适的商业合作伙伴，将这项技术转化到商业领域，”王解释说。

大气水收割机永远不会是解决我们日益严重的水危机的唯一办法。但这里讨论的所有三种类型的设备-针对冷却盘管的冷凝设备、干燥剂设备和雾气收集机-都有可能在保持世界水龙头畅通所需的多管齐下的方法中发挥重要作用。随着世界变暖，看到世界科学家将所有这些技术准备就绪，这是令人欣慰的。