解決干旱環(huán)境中生存用水

    麻省理工聯(lián)合加州伯克利開(kāi)發(fā)

    MOF材料用于太陽(yáng)能取水

    太陽(yáng)能取水裝置原型圖

    據(jù)調(diào)查，全世界有21%的陸地面積為沙漠。在如此廣闊的沙漠中生存和活動(dòng)，水資源必不可少。想象一下未來(lái)，每個(gè)家庭都有一個(gè)僅僅使用太陽(yáng)能來(lái)從空氣中獲得他們每日生活用水的裝置，即使是在干旱或者沙漠地區(qū)，這將是一件多么美好的事情。

    這一愿景最近取得里程碑進(jìn)展，本周一種取水裝置問(wèn)世，這種裝置僅僅使用太陽(yáng)光，每天可在濕度低至20%的環(huán)境中從空氣中提取出好幾升水，而這樣的低的濕度在干旱地區(qū)是非常常見(jiàn)的。

    關(guān)于這種太陽(yáng)能取水裝置的報(bào)道文章，發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。這種裝置由麻省理工構(gòu)建，使用了由加州大學(xué)伯克利分校提供的一種特殊材料——金屬—有機(jī)框架（MOF）。

    這篇文章的通訊作者之一，加州大學(xué)伯克利分校James-Neeltje Tretter化學(xué)講席教授Omar Yaghi說(shuō)，這對(duì)于長(zhǎng)期存在的從低濕度空氣中提取水分的挑戰(zhàn)，是一項(xiàng)重大突破。現(xiàn)在沒(méi)有實(shí)現(xiàn)它的其他途徑。而通過(guò)用電來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)花費(fèi)昂貴。

    原型機(jī)在20%~30%的濕度條件下，通過(guò)使用1千克（2.2磅）的MOF，能夠在12小時(shí)內(nèi)提取2.8升（3夸脫）水分。MIT的屋頂測(cè)試顯示這種裝置可用于真實(shí)的環(huán)境條件中。

    伯克利全球科學(xué)研究院建院院長(zhǎng)、卡夫里能源納米科學(xué)研究所聯(lián)合所長(zhǎng)、BASF加州研究聯(lián)盟聯(lián)合主席Yaghi說(shuō)，一項(xiàng)未來(lái)愿景是不用再?gòu)挠盟W(wǎng)絡(luò)中提取生活用水，而只需要在家通過(guò)一種裝置利用太陽(yáng)能來(lái)獲取生活用水。對(duì)于我來(lái)說(shuō)，由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我認(rèn)為這將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。我稱其為用水個(gè)人化。

    神奇材料MOF

    MOF結(jié)構(gòu)示意圖

    Yaghi在超過(guò)20年前發(fā)明了金屬-有機(jī)物框架這種材料，這種材料將鎂或者鋁等金屬同有機(jī)分子結(jié)合起來(lái)，就像玩具一樣形成存儲(chǔ)氣體和液體的理想多孔結(jié)構(gòu)。至此以后，超過(guò)2000種不同的MOF被全世界的研究人員制備出來(lái)。有些MOF可以存儲(chǔ)氫氣或者甲烷，例如化學(xué)品公司BASF正在測(cè)試Yaghi的一種MOF，將其用于天然氣貨車，因?yàn)镸OF填充的容器所能儲(chǔ)存的甲烷是壓力瓶的3倍。

    其它的MOF能夠從廢氣中捕獲二氧化碳，催化化學(xué)吸附物的反應(yīng)或者在加工工廠分離石油化學(xué)品。

    裝置原理

    在2014年Yaghi和他的加州大學(xué)伯克利分校的團(tuán)隊(duì)合成了一種MOF，將金屬鋯和己二酸結(jié)合起來(lái)，可以吸收水蒸氣，他將其告訴給MIT的機(jī)械工程師Evelyn Wang，而后他們一起將MOF集成為取水系統(tǒng)。

    Wang和她的學(xué)生所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由多于2磅的塵埃大小的MOF晶體組成，這些晶體被壓縮于太陽(yáng)光吸收器和冷凝板之間，放在一個(gè)與空氣接觸的空腔內(nèi)。當(dāng)環(huán)境中的空氣通過(guò)多孔MOF擴(kuò)散時(shí)，水分子更容易附著于內(nèi)壁。X射線衍射表明水蒸氣分子會(huì)形成由8個(gè)水分子組成的立方體。

    太陽(yáng)光從一個(gè)窗口進(jìn)入，加熱MOF，驅(qū)使附著的水分子移向冷凝器，冷凝器同裝置外氣體溫度一致。水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水，流入收集器。

    Wang說(shuō)，這項(xiàng)工作提供了一種從空氣中收集水資源的新方法，這種新方法不需要高的相對(duì)濕度條件，并且相比于已有方法能量效率更高。

    后續(xù)研究

    Yaghi說(shuō)，這項(xiàng)概念取水裝置還有很多提升的空間。目前的MOF只能吸收自身重量20%的水分，但其它的MOF材料有可能吸收40%或更多。這種材料也可以通過(guò)調(diào)整，在更高或更低的濕度下更加高效。

    他說(shuō)，這不僅僅只是一個(gè)收集水資源的裝置，我們已經(jīng)打下了實(shí)驗(yàn)和理論的基礎(chǔ)，以便我們可以對(duì)其它種類的MOF進(jìn)行嘗試，從中我們可以發(fā)現(xiàn)性能更好的材料。還有很大的潛力將集水量提至更高。這些都是未來(lái)的工程任務(wù)。

    Yaghi和他的團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行提升他們的MOF的性能的工作，而Wang繼續(xù)改進(jìn)取水系統(tǒng)以生產(chǎn)出更多的水。

    沙漠戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境

    他說(shuō)，為了保證全天用水，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)晚上收集水分，白天釋放水分。或者我們對(duì)太陽(yáng)光收集裝置進(jìn)行改進(jìn)，讓更多的空氣進(jìn)入，以提高效率。我們想說(shuō)的是，如果你陷入沙漠深處，你仍然能通過(guò)使用這種裝置生存下來(lái)。一個(gè)人每天需要一個(gè)可樂(lè)罐的量的水。通過(guò)使用這一系統(tǒng)，我們可以在不到一個(gè)小時(shí)內(nèi)收集到這些水。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，我們網(wǎng)站會(huì)不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：龐雪潔

《中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事

投稿聯(lián)系：編輯部

電話：010-62313558-806

郵箱：fsfhzy666@163.com

中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414