國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《2024—2025年節(jié)能降碳行動方案》的通知
從“天上”吸水:MIT科學(xué)家發(fā)明新型集水系統(tǒng),可用于沙漠
從“天上”吸水:MIT科學(xué)家發(fā)明新型集水系統(tǒng),可用于沙漠水,對于保證人類生命健康至關(guān)重要,對于保護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)也必不可少。來自世界衛(wèi)生組織(WHO)的資料顯示,人類個體每天需要 2
水,對于保證人類生命健康至關(guān)重要,對于保護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)也必不可少。
來自世界衛(wèi)生組織(WHO)的資料顯示,人類個體每天需要 20-50 升無有害化學(xué)和微生物污染的飲用水和衛(wèi)生用水,但在地球上可獲得的所有水資源中,僅有約 2.5% 的水為淡水,而且有相當(dāng)部分的淡水尚無法獲??;目前全球 10 億多人無法獲得安全供水,26 億人缺少適當(dāng)?shù)男l(wèi)生設(shè)施。而對于一些生活在干旱地區(qū)(比如沙漠地帶)的人,水資源短缺問題更加嚴(yán)重。
如果不能從地表獲取水資源,從“天上”行不行?即使在地球上最干旱的地方,空氣中也有一些水分,而一種可行的集水方法可能是在這些“不適合生存”地方生存的關(guān)鍵。
近日,來自麻省理工學(xué)院(MIT)、韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)和美國猶他大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個新型系統(tǒng),這一系統(tǒng)可以利用來自太陽或其他來源的熱量直接從空氣中“吸水”,即使在干旱地區(qū)也可以。該系統(tǒng)可以在低至 20% 濕度的環(huán)境下工作,除了陽光或任何其他可用的低等級熱源之外,不需要其他能源輸入??赡苡兄跒殡娏τ邢薜钠h(yuǎn)地區(qū)提供可持續(xù)的水源。
相關(guān)研究發(fā)表在 Cell Press 旗下的物質(zhì)科學(xué)期刊 Joule 上,麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系主任 Evelyn N. Wang 教授為該論文的通訊作者,現(xiàn)就讀于麻省理工的中國留學(xué)生 Yang Zhong、Lenan Zhang 和 Lin Zhao,也參與了這一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
(來源:Joule)
值得注意的是,早在 2018 年的質(zhì)譜儀測試結(jié)果中就顯示,更早版本的系統(tǒng)所收集的水就是一種沒有雜質(zhì)的水。“這表明我們可以獲得高質(zhì)量的水?!?Wang 說。
目前,在一天的時間內(nèi)該系統(tǒng)每平方米可以產(chǎn)生約 0.8 升水,這一生產(chǎn)率或許可能滿足某些場景的需求,如果可以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)或找到更好吸附材料,提高系統(tǒng)的產(chǎn)水速率,或?qū)⒖梢栽谌彼貐^(qū)具有大規(guī)模應(yīng)用的潛力。
源于 3 年前的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)建立在 3 年前麻省理工學(xué)院同一團(tuán)隊(duì)成員開發(fā)的原型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上,是一個更加有望成為偏遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)用水源的系統(tǒng)。Wang 和她的同事展示的早期設(shè)備為該系統(tǒng)提供了一個概念驗(yàn)證,該系統(tǒng)利用設(shè)備內(nèi)部的溫差,使吸附材料(在設(shè)備表面收集液體)在夜間吸收空氣中的水分,第二天釋放出來。當(dāng)材料被大陽光加熱時,被加熱的頂部和陰影下面之間的溫度差使水從吸附材料中釋放出來,然后把水凝結(jié)在一個收集盤上。
但是,這個裝置需要使用一種叫做金屬有機(jī)框架(metal organic frameworks,MOFs)的特殊材料,這種材料價格昂貴且供應(yīng)有限,而且這個系統(tǒng)的出水量也不足以用于實(shí)際生產(chǎn)中。研究人員表示,通過將第二階段的解吸和冷凝合并,以及使用一種容易獲得的吸附材料,該設(shè)備的出水量已經(jīng)顯著增加,而且作為一個潛在的廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品,它的可擴(kuò)展性也大大提高了。
圖|一種可以直接從幾乎干燥的空氣中“集水”的新系統(tǒng)(來源:Eurekalert?。?/p>
Wang 表示,團(tuán)隊(duì)成員認(rèn)為“我們已經(jīng)有了一個小的原型,但我們?nèi)绾尾拍馨阉兂梢粋€更具可擴(kuò)展性的產(chǎn)品呢?”
設(shè)計(jì)和材料方面的新進(jìn)展,使得這一想法成為現(xiàn)實(shí)。在新的設(shè)計(jì)中,研究人員使用了一種新型吸附材料(一種沸石,由多微孔磷酸鋁鐵構(gòu)成,內(nèi)表面積大)來替代之前的金屬有機(jī)框架,這種新型材料容易獲得、分布廣泛,且性質(zhì)穩(wěn)定,可以吸附幾乎干燥的空氣中所含的微量水分,并具有很好的吸附性能,可以根據(jù)晝夜溫差和陽光照射,提供一個有效的“吸水”系統(tǒng)。
LaPotin 開發(fā)的兩階段設(shè)計(jì)巧妙地利用了水相發(fā)生變化時產(chǎn)生的熱量。箱形系統(tǒng)頂部的太陽能吸收板收集太陽光的熱量,然后加熱沸石,釋放出前一個夜晚吸收的水分。蒸汽在集熱板上冷凝——這個過程也會釋放熱量。集熱板是在第二沸石層正上方并與之接觸的銅片,其中的冷凝熱被用來釋放下一層的蒸汽,從每一層收集到的水滴可以匯集到一個收集罐中。
圖|集水系統(tǒng)模型(來源:Joule)
在這個過程中,該系統(tǒng)的整體產(chǎn)水速率大約是早期版本的兩倍,但確切的數(shù)字還受當(dāng)?shù)販囟茸兓?、太陽光?qiáng)度和濕度的影響。Wang 表示,在新冠大流行之前,他們在麻省理工學(xué)院的屋頂上對新系統(tǒng)的最初原型進(jìn)行了測試,與之前的設(shè)計(jì)相比,該系統(tǒng)的產(chǎn)水速率有了“數(shù)量級”的增長。
這個系統(tǒng)更好用
雖然類似的兩級系統(tǒng)已經(jīng)被用于海水淡化等其他應(yīng)用場景,但 Wang 認(rèn)為,此前還沒有人真正使用這種方法來收集大氣水。
現(xiàn)有的大氣水收集(AWH)方法包括霧水和露水收集,但兩者都有明顯的局限性。霧氣收集只能在 100% 相對濕度下進(jìn)行,目前僅在少數(shù)沿海沙漠中使用;露水收集需要一個制冷環(huán)境“造出”一個冷表面來凝結(jié)水分,同時也受環(huán)境溫度影響,至少需要 50% 的濕度環(huán)境。
相比之下,新系統(tǒng)可以在低至 20% 濕度的環(huán)境下工作,除了陽光或任何其他可用的低等級熱源之外,不需要其他的能源輸入。
(來源:Pixabay)
Wang 的研究生 Alina LaPotin 表示,“關(guān)鍵在于這種兩級結(jié)構(gòu)”,如今它的有效性已經(jīng)顯示出來了,研究人員甚至可以通過尋找更好的吸附材料來進(jìn)一步提高生產(chǎn)率。
目前該系統(tǒng)在一天的時間內(nèi)每平方米可以產(chǎn)生約 0.8 升水,這一生產(chǎn)率或許已經(jīng)可以滿足某些場景的實(shí)際需求,但如果可以通過進(jìn)一步的設(shè)計(jì)調(diào)整和材料選擇來提高這一速率,就可能會有大規(guī)模應(yīng)用。此外,這種兩級系統(tǒng)還可以適用于其他類型的集水方法,提高系統(tǒng)的日產(chǎn)量。
Wang 表示,他們也將繼續(xù)探索可以改進(jìn)該系統(tǒng)的材料和設(shè)計(jì),并使其適用于特定應(yīng)用(比如一種用于軍事野外行動的便攜式版本),而他們目前正在開發(fā)的材料,其吸附量大約是該系統(tǒng)所用沸石的 5 倍,有望提高系統(tǒng)的整體產(chǎn)水速率。
或許在不久的將來,那些生活在干旱地區(qū)的孩子們,可以喝到充足、干凈的飲用水了。
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