美国研发新型集水器可从空气中“抓取”饮用水

美国犹他大学开发一款用燃油驱动的大气收集水机器，可以从空气中吸取水分，最终生成可饮用的水。图为富含水汽的云朵。

美国一所大学在“大气水分收集技术”（AWH）方面取得进展，可以更有效地从空气中收集水分，有望改善缺水问题。

虽然大气水分收集技术有望成为缓解全球水资源匮乏的解决方案之一，不过过去多数的AWH技术相关设备会因体型巨大、吸附剂的材质或系统循环效率的影响，导致造水能力十分有限。

这项技术的吸水能力大多与吸附剂呈现正相关，因此吸附剂的吸水和吐水能力就成为研究重点。科学家利用有机金属骨架（MOF）的吸收量大和易于再生的特性，将其制作成大气水分收集技术的主要吸附剂。

另外，为了让AWH机器连续吸水和吐水，就需要外在的能源来推动反应。过去，科学家想到用电网或太阳能光伏（PV）面板的电力作为设备加热的能源，但这些东西依赖电化学储存才能实现夜间和连续运作。

这次，美国犹他大学（University of Utah）研究人员推出首个通过燃油驱动的大气收集水机器（CRCF）。它不仅体积小巧紧凑，且能通过燃油加热让机器快速循环和收集空气中的水分。这项研究结果于7月22日发表在《细胞报告物理科学》杂志上。

这款CRCF里面由吸附剂热交换器（AHX）、热量输送系统、蒸汽传输和冷凝系统组成。它的循环方式分为“吸水”、“吐水”两个阶段。

该种CRCF上的AHX外型是一个长接近20厘米的立方体，里面由多个多孔铜泡沫鳍片平行排列组成，鳍片里面布满一种名为“富马酸铝”的吸附剂，它是一种市售常见的MOF材料，可以在相对湿度（Rh）20%到30%之间大量抓住水汽，以达到吸水的效果。

这些鳍片中间通过数根铜管串连，而铜管连接着外围一个用来加热的小型铜座。它加热时可以通过铜管将热量传导到鳍片上，让鳍片里面的水汽释放出来，之后再通过小型送风机将水汽输送到下方一个小的冷凝装置上，形成饮用水并储存到一个小型水箱上供人使用。

为了测试这款CRCF原型机的性能，科学家们在美国犹他州盐湖城附近进行实验。当地湿度变化大（20%到80%）、温度不稳定（3°C至20°C）。实验时间长达25小时，且过程经历5个连续吸水和吐水循环，成功采集到431.2克的水汽，并制造出266.12克的饮用水。

实验人员表示，每个循环使用120克煤油燃料，每个循环约1.5小时，且平均有64.3%的捕获水汽被冷凝成饮用水。

虽然这次测验的水冷凝过程效率不够理想，但让研究团队能够更好知道原型机的问题。他们优化了CRCF原型机的AHX的设计，例如提高鳍片的厚度和排列密度，并且在不同温度和湿度下进行测试。结果显示，它在温度25°C和湿度40%的环境下，每公斤MOF材料能产出3.19公斤的冷凝水。

研究团队表示，这次研究成果使CRCF系统放大变得相对简单，未来可以根据实际需求改变AHX里面的鳍片厚度和密度，就能产出更多的饮用水供人使用，不过这还是会受到环境温度和湿度的影响。

实验人员表明，目前原型机已实现每公斤吸附剂材料每天生产5公升水的目标，且该装置只要通过陆军的露营炉加热即可用来吸水。

团队正朝一个家庭每天消耗15到20公升的饮用水来考量，原因在于，他们设计该系统时发现，水资源问题不仅是一个国防问题，有很大程度上也是民用问题。

这项研究的资深作者、犹他大学机械工程助理教授萨米尔‧拉奥（Sameer Rao）对该校的新闻室表示，“这种原型机依赖于吸附材料，它会从非潮湿的空气中吸收水分子，然后施加热量将这些分子释放成液体形式。”

他解释，“我们使用特定的MOF，让它变成专门吸收空气中的水蒸气的材料，且这种吸湿的整个过程具有可逆性，因此水汽不会融入材料之中。另外，这些吸收性材料具有巨大的内表面积，可以从空气中暂时锁住大量水分。”

该研究的资金来自DEVCOM士兵中心，并由美国国防部运营，旨在促进支持美国陆军装备现代化，让陆军在水源匮乏的偏远地区作战时，可以通过小型且紧凑的制水装置获得水源，不需要再拿着装满水的水壶到处走动。

这项研究的主要作者研究生内森‧奥尔蒂斯（Nathan Ortiz）说，选择燃油作为加热方式，“是因为太阳能电池板只能在白天运行，而电池既笨重又占空间”。实验人员相信，他们的设备是第一个使用汽油等燃料制造出水源的设备。

目前实验团队已根据该技术申请了初步专利，该项技术未来也可以满足非军事上的需求。