大气集水

在经历了三年的干旱后，2018年1月，南非城市开普敦距离关闭水龙头只有90天了。官员们警告称，届时居民将不得不从200个中央供水中心领取配给用水。结果，水龙头一直开着。这在很大程度上是由于该消息宣布后消费量急剧下降。游泳池和洗车被禁止。“如果是黄色的，就让它变柔和”的宣传口号大幅减少了国内的使用，还有“脏衬衫比赛”也减少了使用，比赛要求参与者在两次洗涤之间尽可能长时间地穿着衣服。对农业用水实行限额，并将雨水送回该地区，也有助于补充该市的水库。

不过，虽然开普敦险些成为世界上第一个缺水的主要城市，但其他主要城市可能就没有这么幸运了，包括伦敦。英国环境署多次警告说，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。英国环境署首席执行官詹姆斯·比万在2019年3月的一次会议上说:“我们需要让浪费水成为社会不可接受的行为，就像对着婴儿吹烟或把塑料袋扔进海里一样。”

科学家估计，每年至少有一个月的时间，有40亿人生活在严重缺水的地区。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、水污染以及人口增长和使用行为变化导致的需求增加。

很难说服消费者减少用水量的一个原因是，人们认为水无处不在。超过70%的地球表面确实被水覆盖。然而，其中只有约2.5%是淡水，其余都是盐水。大部分淡水被锁在冰盖、冰川和永久积雪中。地球上只有不到1%的水可以饮用。

地球周围水蒸气的含量是所有河流的六倍多

人们越来越多地寻求技术解决方案来供应我们日益缺水的世界。海水淡化厂这种从海水中提取盐分的植物正在经历巨大的恩惠。但另一种不太为人所知的技术家族也开始越来越受欢迎:大气水收集器。

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

一个很酷的解决方案

美国加州集水公司SkySource的联合创始人大卫·赫兹解释说:“地球上任何时候的水蒸气含量都是所有河流的六倍多。”

从大气中获取水蒸气的技术已经商业化了几十年，今天有70多家公司销售这种设备。到目前为止，大气水收集器部署的情况包括在偏远的干旱地区，在救灾期间，当地饮用水供应受到污染，在军事行动期间，以及在淡水供应有限的偏远度假胜地。

大多数市面上的大气水收集器都是模拟清晨植物上的露水形成过程，以及我们从冰箱里拿出来的凉爽物品上的冷凝过程。当暖空气接触到凉爽的表面时，就会迅速冷却。如果温度低于某一特定温度，即露点，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。

市场仍然很小

这些设备中的大多数与机械除湿机的工作方式相同:风扇引导空气经过冷却盘管，空气中的水在其上凝结。加拿大温哥华咨询公司Atmoswater Research的罗兰·沃尔格伦解释说，它们与机械除湿机有两个主要的区别。首先，坚固性-水收集器被设计为24/7运行，而不是循环开关。其次，饮用水质量控制内置在机器中。沃尔格伦说:“线圈上涂了一层食品级涂层，这样收集的水就不会受到金属污染，而且空气过滤器的质量比除湿机高得多。”

让事情升温

中国上海交通大学制冷工程教授王如竹解释说，尽管这种类似除湿机的集水技术已经问世一段时间了，但“市场仍然很小”。他补充说，原因是能源消耗高，初始投资成本高。另一个问题是水的捕获效率;特别是在干燥的沙漠条件下，可能最需要集水技术。大气必须是潮湿的，才能使用这些工具吸收有用的水蒸气量。

这些都是2016-2018年举办的“水资源丰富x奖”旨在解决的问题。这项任务是使用可再生能源，以每升0.02美元或更低的价格(0.016英镑/升，包括启动成本)每天从大气中提取至少2000升的水。获胜者是由Skysource公司开发的Wedew(木材能源可部署应急水)。

Wedew由一个生物质气化炉发电机提供动力，该发电机将木屑等生物质转化为电力、生物炭和湿热空气。湿热的空气是Wedew水捕获效率的基础，在设备内部创造了一个类似雨林的环境。“我们不知道周围的气候，”赫兹解释道。他补充说，空气的温暖也意味着“我们可以在环境温度的表面上产生冷凝”。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量来冷却收集水的表面，从而降低了运行成本。

为了资助这项努力，除了出售水，Wedew的用户还可以出售热解过程中产生的多余能量和生物炭。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。”目前正在测试一些设备，并正在计划一个大型的全球案例研究方案。“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，”赫兹补充道。

干燥剂即将上市

在冷却器上冷凝，盘绕表面是最成熟的水蒸气收集技术，但另一种方法开始受到关注——使用干燥剂。这些吸湿材料像海绵一样吸水;众所周知的干燥剂包括用于婴儿纸尿裤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机。

干燥剂能耗低，水萃取效率高

In this type of harvester, the water contents are desorbed from the ‘sponge’ by mild heating.“与基于冷凝器的技术相比，使用干燥剂的空气集水技术具有更低的能耗和更高的水提取效率，”王说。‘Desiccant-based water-harvesting is [also] the only reasonable way to achieve air water harvesting in arid or desert regions,’ he adds.

第一款带干燥剂的大气水收集器于2017年上市。Source水力发电板由Zero Mass Water公司开发，是一种由集成太阳能电池板供电的离网独立系统。一个典型的双面板设置每天产生大约10升的水;根据湿度和日照时间的不同而不同。迄今为止，Source水力发电板已在超过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。它的组成，与其他为此目的而商业化的干燥剂相同，尚未透露。

一种包含液体干燥剂的更大的大气水收集器现在正走向市场:德鲁普斯概念，由德鲁普斯水收集公司开发。它的原型位于瑞典乌普萨拉的公司总部，每天生产3000升水。Drupps的联合创始人Fredrik Edström解释说，这种装置是模块化的，如果气候干燥或需要更多的水，可以添加额外的干燥剂模块。

The first module of the Drupps Concept uses a fan to direct air flow past a reservoir containing the desiccant.‘The liquid desiccant is distributed over a structure with a very high internal area,’ Edström says.The desiccant is then pumped to a second module where the water is extracted.A treatment step follows.Treatment isn’t strictly necessary as it is pure distilled water being produced – but many atmospheric water harvesters do this, to ensure potability of water that will be stored for any duration and also to add minerals for taste reasons.去矿物质的水尝起来“很怪异”，Edström解释道。

由于Drupps Concept不便携，依赖外部电源，它的目标市场与一些竞争对手不同。据Edström报道，目标是电力行业，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”，但冠状病毒的爆发放慢了进度。

新一代的干燥剂

用于大气水收集目的的下一代干燥剂包括复合吸附剂，例如王正在开发的活性炭氯化锂和金属有机框架(MOFs)。使用MOFs进行水捕获始于美国加州大学伯克利分校的Omar Yaghi化学实验室，现在由他的衍生公司water Harvesting继续推进。¹

第一个水分子聚集形成种子，然后其他水分子结合在种子上

mof具有非常大的内表面积，这意味着它们的孔隙中可以容纳大量的水。此外，当它们被用来捕获水时，还有一种合作效应。Yaghi解释说:“第一批水分子聚集形成种子，然后其他水分子结合在种子上。”“刚开始的时候，你的吸水率很低，然后随着毛孔被充分填充，吸水率会显著增加，然后趋于稳定。”

财政部的集水技术已经在亚利桑那州和莫哈韦沙漠进行了大量的原型测试。Yaghi说:“我们可以在7-20%的相对湿度下收获水——这是夏季沙漠中午的相对湿度。”

第一个原型是一个简单的盒中盒塑料结构。持有MOF的内部盒子在夜间打开。“水会进入财政部，然后在白天关闭设备。在沙漠的阳光下，内部温度升高，水就出来了，”Yaghi说。由于外界空气温度低于箱内空气的露点，水在外箱内壁上凝结。

这一初步设计根据大气湿度水平，每公斤MOF产生200-300ml水。为了提高每公斤材料产生的水量，研究小组做了一些调整，包括增加太阳能电池板。Yaghi解释说:“太阳能电池板为小风扇提供电力，将空气推入MOF，然后在合适的时间加热MOF以去除水。”“这个过程所需的能量并不高，因为水并没有紧紧地束缚在毛孔里。”

使用太阳能电池板和电池意味着，而不是一个单一的昼夜循环，MOF可以每小时填充和清空多达10次，每天24小时。Yaghi说:“我们现在每天每公斤收集的水量几乎正在接近一个数量级的增长。”

水收集公司正在开发的设备，从小型厨房台面收集器，为家庭生产饮用水，到大型收集器，用于工业用水或供应偏远村庄社区。Yaghi解释说:“我们希望在新冠疫情稳定后推出我们的下一个原型。”

热响应性聚合物在水释放过程中只需要很少的能量

水凝胶是另一种正在开发的干燥剂材料。这些聚合网络可以吸收大量的水。开发水凝胶的科学家包括来自上海的Wang和来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Guihua Yu。

Yu正在开发一种双组分水凝胶，其中含有吸湿性聚吡咯氯，可以穿透聚合物网络Nisopropylacrylamide。²The latter polymer is thermally responsive, switching from hydrophilic to hydrophobic at approximately body temperature.When the hydrogel is exposed to air, the polypyrrole chloride absorbs water vapour.一旦满了，网络被轻微加热以触发聚N‐异丙基丙烯酰胺从亲水性转变为疏水性，从而使水滴被释放。Yu解释说:“这种设计涉及热响应聚合物，在水释放步骤中只需要很少的能量。”

2019年1月，Yu公布了他的第一个原型机的设计和测试细节。测试是在他在奥斯汀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中收集水。然后将它们放在一个密封的玻璃容器中，以加热太阳，从而释放水分。他说:“我们发现，一个周期大约需要45分钟吸收水分，然后需要5-10分钟释放水分。”在为期10天的测试中，研究小组每天进行大约20次循环，发现收集的水量随着白天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能获得25 - 30升的水。”

Yu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”寻找合适的合作伙伴。

仿生雾收集涂料

基于冷凝和干燥剂的大气水收集器都收集水蒸气。这种类型的第三种技术可以用来收集空气中已经存在的液态水滴——雾收集器。

Huge fabric meshes for fog water collection have been in operation for decades in locations of the world that experience both water scarcity and frequent fog, such as the Atacama and Namib deserts.Fog forms particularly well by the coast and up mountains.There is a current R&D focus on developing novel meshes and coatings to boost water capture efficiency.Traditional meshes only collect about 3L of water per day per square metre of fabric.

许多新设计的灵感来自大自然。例如，香港大学的王立秋(音译)就一直在尝试模仿蜘蛛网的网．And Tak-Sing Wong at Pennsylvania State University in the US has beencopying the design of pitcher plants and rice leaves．类似仙人掌的结构和模仿纳米布沙漠甲虫外壳的结构也在其他地方开发中。

王利用微流控技术来模拟蜘蛛网的结构和微尺度表面粗糙度。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”产生了一层非常薄的液体。在这层薄薄的液体中，氮气泡被注入到非常严格的位置。然后加入吸湿氯化钙使液体凝固。当凝固时，纤维中的气泡形成了王称之为结的结构，正是这些形成了所需的结构和表面粗糙度。

Surface chemistry can capture the water droplets from air very efficiently

2017年，他的团队报告了对多节微纤维的实验室测试，发现其捕水效率是传统捕雾网的“2至7倍”(取决于环境条件)。“从那以后，我们一直在提高纤维的性能，”王解释说。“我们还没有达到将这项技术商业化的阶段，但我们仍在计划中。”

Wong在美国的实验室开发的网格涂层专注于提高被捕获的水滴从网格上滑落进行收集的容易程度。他解释说:“在目前的雾收集器中，水滴会粘在材料上。”“表面化学成分可以非常有效地从空气中捕获水滴，一旦被吸收，它们可以迅速去除，因为我们在材料上制造了一层光滑的涂层。”在2018年的一篇论文中，该团队报告了与用于该应用的传统防液体表面相比的“巨大”改进。

黄的涂层有两层聚合物。一种较低的微纳米级粗糙度，模仿水稻叶片的疏水表面。还有一层类似猪笼草叶片光滑表面的半永久性上层润滑层——正是这种特性使u型叶片能够如此有效地诱捕昆虫猎物。“我们拥有一项美国专利，因此我们正在寻找合适的商业合作伙伴，将这项技术转化为商业空间，”Wong解释道。

大气水收集器永远不会是我们日益严重的水危机的唯一答案。但这里讨论的所有三种类型的设备——冷却盘管冷凝、干燥剂和雾收集器——都有潜力在保持全球水龙头正常使用所需的多管齐下的方法中发挥重要作用。随着全球变暖，看到全世界的科学家们把所有这些技术都准备好了，这是令人欣慰的。

妮娜·诺特曼是英国索尔兹伯里的一位科学作家