随着水资源短缺问题在全球范围内日益严重，加州大学伯克利分校的研究人员即将研制出一种微波大小的水收割机，可以让你直接从空气中获取所需的所有水分——即使是在炎热干燥的沙漠中。
本周的一篇论文中出现在ACS中央科学,美国化学学会杂志》,加州大学伯克利分校的奥马尔Yaghi和他的同事们描述他们的水收割机的最新版本,它可以把超过五杯水(1.3升)从低湿度的空气每天每千克(2.2磅)的吸水材料,一种多孔的物质称为有机框架,或财政部。这已经超过了维持生命的最低要求。
在加州干旱的莫哈韦沙漠进行的三天多的田间试验中，这种收割机每天能可靠地产生0.7升/千克的吸收体——将近三杯干净、纯净的H2O。这比之前版本的收割机好10倍。这台收割机每周7天，每天24小时运转，由太阳能电池板和电池供电。
即使是在沙漠中最干燥的一天，相对湿度极低，只有7%，温度超过80华氏度，收割机每天每公斤MOF生产6盎司(0.2升)的水。
他说:“众所周知，要在相对湿度低于40%的低湿度条件下把空气中的水分凝结起来，你需要把空气冷却到零度以下，这是不切实际的。用我们的收割机，我们是在非常低的湿度下进行的，没有这样的冷却;没有其他材料可以做到这一点。”“这并不像除湿器，在相对湿度较高的情况下工作。有些人说0.7升不是很多水。但是如果你没有水，这是很多水。”
最新版本的水收割机将周围的空气吹过一个充满MOF(有机玻璃盒内可见)的墨盒。MOF从干燥的空气中吸收水分，然后通过温和的加热将水分从MOF中除去。浓缩的水蒸气通过管道被吹到冷凝器的右边。这个过程产生饮用水，即使在像莫哈韦沙漠这样干旱的地区也是如此。(马修·普雷沃特摄，加州大学伯克利分校)
Yaghi的启动、水收割机公司,现在正在测试,并将很快市场大小的设备一个微波炉,可以提供每天7到10升水:足够的饮用水和烹饪每天两到三个成年人,根据美国国家科学院的建议,男性应该消耗3.7升,女性每天2.7升的液体。
一个更大的版本，一个小冰箱大小的收割机，每天可以提供200到250升的水，足够一个家庭饮用，烹饪和淋浴。几年之后，该公司希望拥有一台村级的收割机，每天能生产2万升。所有这些都将使用太阳能电池板和电池供电，或者不使用电网。
“我们正在制造超纯水，它有可能在不连接水网络的情况下被广泛使用，”詹姆斯和尼尔杰(James and Neeltje)化学学院Tretter椅的亚吉(Yaghi)说。“这种水的流动不仅对那些遭受水压力的人至关重要，而且使更大的目标成为可能——水应该是一项人权。”
关键是:多孔的MOFs
这种收割机的秘密成分是由Yaghi和他在加州大学伯克利分校的同事们发明的一种MOF，这种MOF可以很容易、很快地从空气中吸收水分，并很容易地将其排出，这样就可以收集水分。自上世纪90年代中期以来，Yaghi一直在开发MOFs，其多孔性非常强，一克的表面积相当于一个足球场。其他类型的MOFs从烟气中捕获二氧化碳，催化化学反应或在加工厂中分离石化产品。
研究人员在2014年提出了他们的第一个吸水MOF，称为MOF-801。环境空气中的水分子粘附在内部表面——这一过程被称为吸附——并增加MOF内部的湿度，使其达到即使在室温下也会凝结的程度，就像湿度高时在较冷的表面凝结的水一样。当MOF被稍微加热时，水就会回流出来，并被冷凝和收集起来。
第一台采用MOF-801的收割机于2017年首次亮相，完全是被动的太阳能驱动的:它在夜间坐着吸附水，第二天在太阳的高温下就放弃了，而水蒸气则凝结在容器的内表面。
到2018年,Yaghi伯克利团队概念验证设备变成第二代收割机,收集0.07升-略高于2盎司的水每天每公斤的财政部在亚利桑那沙漠一个昼夜周期期间,再次使用来自太阳的热量来驱动水的财政部。
Yaghi说:“尽管水量很低，但实验表明沙漠空气中的水分可以集中到MOF的孔隙中，在阳光的温和加热下被去除，然后在环境条件下冷凝。”
2019年的型号不再是被动的:它使用太阳能电池板为风扇提供动力，将周围的空气吹过装在弹匣里的MOF，从而使更多的MOF暴露在空气中。mof填充的墨盒约为10平方英寸(约合10平方米)和5英寸(约合5英寸)厚，由两组通道相交:一组用于吸附水，另一组用于将水排入冷凝器，允许全天连续循环。这些太阳能电池板连接在电池上，使收割机可以在夜间运行，还为小型加热器提供动力，将水从财政部排出。
这种新型水收获机的产量是以前设备的10倍，比早期概念验证设备高出100倍。在水中没有发现金属或有机物的痕迹。
伯克利研究生Nikita Hanikel，南阿拉巴马大学的Grant Glover和伯克利博士后Mathieu Prevot展示了去年秋天在莫哈韦沙漠从水收割机上收集的水。(照片由加州大学伯克利分校马修·普雷沃特提供)
新装置生产率的提高和较短的循环时间来自于新设计的MOF, MOF-303，这是基于铝，而不是MOF-801，这是基于锆。与MOF-801相比，MOF-303可以多容纳30%的水，在理想的条件下，只需20分钟就可以吸附和解吸水分——这是Yaghi的启动接近于实现的目标。
Yaghi说:“MOF-303在两件事上做得很好:它比我们之前报道的锆MOF要消耗更多的水，而且速度更快。”“这使得水可以更快地进出;你可以把空气抽进去，每天循环多次收集水分。”
亚吉几乎每天都会收到来自世界各地的人、机构和国家的询问，其中很多来自中东、非洲、南美、墨西哥、澳大利亚和地中海沿岸的干旱地区。用于改进这种收割机的大部分资金来自沙特阿拉伯国王阿卜杜勒阿齐兹科技城(King Abdulaziz City for Science and Technology)，这是kacs与加州大学伯克利分校(uc Berkeley)合作项目“纳米材料和清洁能源应用卓越中心”(Center of Excellence for Nanomaterials and Clean Energy Applications)的一部分。来自另一个干旱国家约旦的亚吉说，长期缺水的沙漠王国欣赏收割者的潜力。
他说:“在任何时候，大气中的水几乎和所有河流和湖泊的水一样多。”“收集这些水可以帮助把干旱的沙漠变成绿洲。”
加州大学伯克利分校的研究生Nikita Hanikel和博士后研究员Mathieu Prevot是该论文的共同第一作者。其他共同作者包括法哈德·法提赫、尤金·a·卡普斯汀、李浩、王浩泽、加州大学伯克利分校的尼古拉斯·迪尔克斯和南阿拉巴马大学莫比尔分校的t·格兰特·格洛弗。Yaghi是劳伦斯伯克利国家实验室的一名科学家。
相关信息
- 金属-有机框架水收割机的快速循环和超高产(ACS中心科学)
- 奥马尔Yaghi的网站
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.berkeley.edu/2019/08/27/water-harvester-makes-it-easy-to-quench-your-thirst-in-the-desert/