IEEE：新型節能水凝膠從空氣中吸水 或將改變全球水狀況

據悉，得克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員使用一種新型水凝膠材料，能夠在足夠低的溫度下從稀薄的空氣中提取水，并通過一系列的處理步驟將其轉化為純凈的飲用水。

THE UNIVERSITY OF TEXAS AT AUSTIN

大氣集水從空氣中的濕氣中取水。如果濕度水平足夠高，系統可以將霧通過篩網，或者將空氣冷卻到露點以下，以冷凝水分并收集液態水。但在低濕度條件和干旱地區，水蒸氣必須作為氣體直接從空氣中提取。

UT Austin技術針對的是后者。它有兩個關鍵步驟，首先像除濕器一樣收集水，然后釋放出來使用。其他研究人員已經研究了使用二氧化硅和金屬有機框架等材料吸收水蒸氣的類似方法，但是存在著“有其優缺點”，領導這項研究的得克薩斯大學奧斯汀分校工程教授Guihua Yu說，該研究于9月11日發表在《美國國家科學院院刊》上。

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許多用于從空氣中吸收水分的材料都有一個特殊的缺點：如果這種物質很容易吸收水分，那么它也需要大量的能量來釋放水分。Yu的團隊開發了一種新的合成材料，有可能解決這一關鍵問題。這種材料是一種水凝膠，一種天然保留大量水分的聚合物網絡。但與其他水凝膠相比，這種新材料釋放水分所需的能量更少，這使得該系統能夠以陽光為唯一能源運行。

大氣集水的工作原理

這種新型水凝膠的結構使兩個不同的部分配對：一個是吸收和儲存水的位點網絡，另一個是有助于釋放液態水的熱反應性部分。

在吸收方面，優點來自于將鹽離子固定在聚合物結構中。傳統的水凝膠就像摻有鹽離子的“大體積果凍”，有助于吸收和液化蒸汽。然而，Yu說，它們每次釋放水分時都有泄漏這些鹽的風險，而且吸收能力可能會受到限制。通過將鹽離子固定在適當的位置，這種新型水凝膠限制了吸收區域，以避免這些問題。

同時，凝膠的熱反應性質是釋放儲存水的關鍵。當材料被加熱到閾值溫度以上時，它從保持水分轉變為排出水分。通過將熱反應段分散在較小的吸收區域中，這種材料在相對較低的溫度下釋放水分，這可以單獨使用太陽能實現。水凝膠可以在40°C的溫度下，在大約20分鐘內釋放出80%以上的吸收水——雖然需要高溫的條件，但這在沙漠環境中并不罕見。例如，在菲尼克斯，7月份的平均高溫約為41°C。

Yu說，目前可用的其他集水設備，如Source和Watergen的集水設備，主要用于中等條件下。但Yu和他在德州大學奧斯汀分校的同事們考慮到了干旱的氣候。此前，美國國防部國防高級研究計劃局（DARPA）資助了一項早期研究，旨在幫助駐扎在沙漠條件下的士兵提供飲用水。

雖然這項技術的最終目標是在沙漠地區使用，但該項目仍然專注于基礎科學，而不是成本等實際問題。水凝膠的成本因材料而異，Yu希望很快開始開發成本更低、可擴展性更強的技術。

悉尼大學物理化學教授Chiara Neto表示，在目前正在開發的技術中，其他集水技術可能更接近商業應用。Neto說，Yu的研究“為如何提高水捕獲過程的效率提供了指導”。然而，它的基本性質意味著，實際考慮不一定是最重要的。

麻省理工學院的研究科學家Lenan Zhang也研究提取大氣水蒸氣的方法，他說，盡管仍有工作需要，但這是“邁向現實世界應用的重要一步”。Zhang說，作為概念的證明，這項基礎科學提供了幫助世界獲得清潔水所需的“上游創新”。

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