一种被动的、可再生的、更有效的从大气中提取水的方法

Josiah02

　　淡水短缺影响着全球 20 多亿人，主要集中在干旱和偏远地区以及没有淡水资源的岛屿和沿海地区。气候变化和人口增长只会使问题更加严重，而现有的方法需要能源输入，通常是电力。
　　可再生能源可以解决这个问题，这些地区需要利用从大气中提取的水来获取饮用水和灌溉用水。（据估计，大气中含有约 13 万亿吨水，是全球河流中淡水量的六倍；全球变暖使空气中含有更多的水蒸气，理论上每升温 1 摄氏度，空气中含有的水蒸气就会增加 7%。）
　　现在，来自沙特阿拉伯和中国的工程师和科学家发明了一种系统，该系统利用太阳能从空气中提取多达 3 升（0.8 加仑）的水，这是一种纯被动方式，无需维护或人工操作。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。
　　该系统在沙特阿拉伯图沃 (Thuwal)进行了两个季节的测试，利用收集的水成功种植了卷心菜。
　　“我们的目标是利用这项技术从空气中生产水，以补充中东地区保障粮食生产所需的可持续农业用水需求，”华南理工大学的合著者于涵说。
　　现有的太阳能驱动大气水提取 (SAWE) 系统通常依赖于从空气中吸收水蒸气。当吸收材料达到饱和状态时，系统被密封并暴露在阳光下，从而开始释放捕获的水。它们是对雾和露水收集等被动大气水技术的改进，并且在其他气候受限的地区和地点更可用。
　　但是这种 SAWE 系统每天只允许进行一次吸收-释放循环，即在夜间捕获水分，在白天解吸，缓慢的吸收阶段限制了可提取的水量。
　　它们的广泛应用也受到昂贵的吸收纳米材料的限制，这对原型的扩大提出了挑战，而切换周期要么需要一个容易发生故障的主动系统，要么需要一个带有活动部件的劳动密集型操作，从而使系统变得复杂且耗能。
　　为了设计一个被动、高效、易于扩展且劳动力最少的系统，该团队使用了一种由多个垂直微通道组成的结构，称为物质传输桥。这些管子位于一个容器中，里面装满了充当液体吸收剂的液态盐溶液；他们使用了氯化锂。
　　根据温度分布，暴露在环境中的环境温度区域不断捕获大气中的水分并将其储存在容器中。当系统接收到阳光时，吸收器将光转化为热量，并在高温区域产生浓缩的水蒸气。
　　水蒸气在腔壁上凝结，产生淡水。从吸收器容器中捕获的更多水不间断地移动到高温区域。
　　同时，高温区域的浓缩液体通过扩散（分子从高浓度区域向低浓度区域移动）和对流（较热、密度较低的溶液通过较冷、密度较大的区域移动）输送回环境温度区域，只要有阳光，就能够持续捕获水蒸气。
　　为了实现这个系统，该团队在玻璃纤维膜上用部分氧化的碳纳米管制作了一个太阳能吸收器。碳纳米管的黑度和捕光微结构在潮湿时吸收了大约 96% 的阳光。他们发现蒸汽生成区和大气水捕获区的最佳高度分别为 3 厘米和 5 厘米。
　　为了在为期八天的生产期内测试此装置，他们使用了八小时的太阳光照，然后是 16 小时的黑暗。他们发现，随着相对湿度从 60% 增加到 90%，水的产出率从每小时每平方米约 0.04 公斤增加到约 0.65 公斤。
　　在沙特阿拉伯的实地测试中，蒸发面积增加到 13.5 厘米 x 24 厘米，比原型大 36 倍。这种配置每天每平方米可产生 2.9 升水，具体量取决于接收到的太阳能和相对湿度。
　　这一数量是2021 年大气水项目的四倍，是2017 年SAWE 的 27 倍。
　　在巴布亚新几内亚进行的一项试验中，这一数字增加到每天每平方米 4.6 升。“值得注意的是，收集到的水被成功地用于 Brassica rapa（大白菜）的离网灌溉，”沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的共同作者 Qiaoqiang Gan 说道，“这展示了在无法获得液态水源的地区进行免维护园艺的潜力。”