离网设备从干燥空气中抽取饮用水

从空气中提取水分的技术现在由太阳能供电

埃里克·彼得森

数十亿人全年或部分时间缺乏清洁用水,或者必须长途跋涉取水。直接从空气中提取水对他们来说将是不可估量的福音。但是,现有技术通常需要高湿度气候和大量电力,这既昂贵又常常无法获得。由于正在开发的强大系统依赖于容易获得的太阳能,这个问题现在正变得更容易解决。它们具有可扩展性,即使在干旱地区也能工作——世界人口的三分之一生活在干旱地区,而且通常很贫困。

麻省理工学院和加州大学伯克利分校的合作者测试了一种完全不需要电力的方法。该团队的目标是使其技术克服大多数能够从大气中吸收水分的材料(例如加湿器中的沸石)的一个显着问题:除了需要高湿度外,它们只有在充分加热时才会释放出捕获的水,这需要能量。

研究人员围绕一类称为金属有机框架(MOF)的多孔晶体设计了他们的系统,这些晶体是多年前由化学家奥马尔·M·亚吉开发的,他现在在加州大学伯克利分校的研究小组工作。通过选择金属和有机物的特定组合,科学家可以选择每种MOF的化学性质,从而定制其用途。除了其多功能性之外,MOF的最大希望在于其惊人的大孔隙:内部表面积几乎是多孔沸石的10倍。作为参考,一克糖块大小的MOF晶体的内表面积大约等于一个足球场的面积。


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2017年4月,亚吉的研究小组与麻省理工学院机械工程师伊芙琳·王的研究小组一起,报告了一种采用MOF-801或富马酸锆的原型设备,该设备对水具有高亲和力。它从空气中将水分吸入其大孔隙中,并响应来自自然阳光的低品位热量,轻松地将水输送到收集器中。即使在相对湿度低至20%(类似于沙漠)的水平下,该设备每天每公斤MOF也能收集2.8升水。(根据亚吉的说法,一个人每天至少需要一罐苏打水的水量,即355毫升饮用水。)此外,它不需要额外的能量输入。

研究人员看到了更多的改进空间。进一步的MOF成分实验应该可以降低技术的成本(锆目前每公斤150美元),增加每单位材料收集的水量,并使研究人员能够根据不同的微气候定制MOF。

一家名为Zero Mass Water的初创公司位于亚利桑那州斯科茨代尔,它采取了不同的方法,开始销售一种基于太阳能的系统,该系统不必连接到电网或现有供水系统。该系统名为SOURCE Hydropanel,它同时使用太阳能光伏和太阳能热能来驱动空气通过专有的吸水材料,并将提取的水分冷凝成液体。当没有阳光照射时,小型锂离子电池为设备供电。该公司表示,每个Hydropanel平均每月可生产60至150升液态水,这些水储存在30升的储水箱中,储水箱添加了钙和镁,以改善健康和口感。

Zero Mass Water的创始人兼亚利桑那州立大学的材料科学家科迪·弗里森开发Hydropanels的目的是让它们在世界任何地方都能可持续且轻松地工作。在美国,安装一套住宅阵列的售价约为6,500美元。该公司与非营利组织合作,在全球缺乏供水基础设施的地区建设该技术阵列。弗里森指出,在美国减少瓶装水需求的Hydropanels也可以为缺乏清洁水的学校提供清洁水,这样孩子们“就能够接受教育,而不会生病”。

他说,在过去的几年里,Hydropanels已经安装在美国和包括墨西哥、津巴布韦和澳大利亚在内的其他22个国家,该公司最近完成了一个由美国国际开发署资助的项目,为约旦和黎巴嫩的叙利亚难民提供水。弗里森补充说,当大多数人想到太阳能时,“他们想到的是电力。在未来,他们会想到丰富的水资源。”

唐娜·J·纳尔逊是俄克拉荷马大学的化学教授,并于2016年担任美国化学学会主席。她曾担任电视剧《绝命毒师》的科学顾问。

更多作者:唐娜·J·纳尔逊
关于杰弗里·卡贝克

杰夫·卡贝克曾创立多家公司,现任10EQS首席执行官,该公司汇集了独立的顶级顾问和专业的行业专家,帮助组织提高增长和绩效。他曾在论坛的先进材料全球未来理事会(2016-2018年)任职,他共同创立的公司MC10是世界经济论坛技术先锋。

更多作者:杰弗里·卡贝克
SA Special Editions Vol 28 Issue 3s本文最初以“太阳制造的水”为标题发表于SA 特刊 第28卷第3s期(),第18页
doi:10.1038/scientificamericanwildideas0619-18
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