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怎樣才能從空氣中“榨”出水來,並且零耗能呢?

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發表於 2018-6-30 10:08:10 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
來源: 新浪科技

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圖片來源:YouTube


想象一下如果你掉進大海里,周圍都是海水,你卻一口也不能喝;如果你迷失在沙漠中,也會遇到同樣的情形,乾渴無比,周圍的水卻解不了你的燃眉之急——即使在最乾旱的地方,空氣中也滿滿都是水分子——可你卻無法利用。
  收集霧,榨出水
  現有的設備是能將空氣中的水蒸氣轉變成液態水,但是這些設備體積龐大,十分耗能。6 月 8 日發表在《科學進展》(Science Advances)上的兩項研究,各提出了一種從空氣中“榨出”水的妙計,一種零能耗,另一種能耗也很少。這些技術不能徹底解決全人類的用水問題,但是在氣候變化造成嚴重破壞的情況下,對增加乾旱地區的供水大有裨益。
  第一種技術沒有提出新概念,而是從現有的概念改進而來:收集霧。霧由無數微小的水滴組成。將這些水滴收集起來,積少成多,你就能得到一杯水。這種技術在智利已有先例,人們用細網收集霧中的水滴,然後將其導入管道內以作飲用之需,甚至還能用來做啤酒。
  聽上去很棒對吧,但還不夠完美。論文作者之一,麻省理工學院(MIT)的機械工程師克利帕·瓦拉納西(Kripa Varanasi)評價道:“這種被動式霧收集器的效率極低,僅有 1%~2%,”當含有霧氣的風穿過收集網時,大部分都會從網的空隙之間流走,所以收集足夠的水要花上很長時間。那就把網再做密一點呢?還是不行,這樣風就會直接繞過收集網了。
  真正實用的,是收集網能夠主動吸引水滴。為了達到這個目標,瓦拉納西想到了電場。在實驗室里,他將霧氣通過能產生帶電空氣原子的離子發射器。瓦拉納西描述道:“在離子運動的過程中,它們會被水滴捕獲,使水滴帶電。”
  這些帶電水滴很容易被收集網吸引。請看下面的小視頻:一開始霧氣正常流動。一旦打開了離子發射器,霧氣就全部流向了收集網。收集效果非常好,那些一開始原本會穿過收集網的水滴又會通過U型運動折回到收集網中,效率高達 99% 。收集到的霧氣變成液態水,滴入下面的玻璃杯中。
  這項技術有點酷對不對?從理論上講,任何一個有清潔霧源的地區都可以裝一套這種由細網和離子發射器組成的裝置。離子發射器需要高壓供電,但產生的電流很小。實驗室中,每平方米細網能耗為 60W。與之相比,在印度等缺水地區應用的另一種技術——像冰箱一樣將水蒸氣冷凝下來的“水蒸氣冷凝器”能耗就大很多了。
  電離固然有效,但也不是隨便有點霧的地方都能用上這項技術。你得准備一套系統,還得知道什麼時候打開開關。研究水蒸氣冷凝技術的化學工程師格雷格·彼得斯(Greg Peters)說:“要想把實驗成果轉化為一個可行的供水系統,你必須得知道什麼時候是有霧的。如果它就那麼放在山頂上,天天被雷擊,那錢就白花了。”
  這項技術甚至可以應用到發電廠,尤其是噴出水汽的冷卻塔中。冷卻需要用到大量的水,比如美國將 39% 的淡水用於發電廠。發電廠一年的用水量可供 10 萬人使用。瓦拉納西說:“我們可以收集產生的水蒸氣”,而其他技術就無法做到這點。
  蓄水的“電池”
  但如果想用收集霧的方法得到液態水,首先得有霧,這樣沙漠地區就不符合條件了。所以有了第二種新技術。加州大學伯克利分校的研究者研製出了一種“水電池”:晚上收集,白天產水。
  水電池基於一種金屬-有機框架結構:金屬鋯和有機碳原子結合成粉末,形成一種多孔的框架結構。這有點像一隻吸水的“海綿”。
  論文作者之一,化學家尤金·卡普斯汀(Eugene Kapustin)解釋道:“如果你把它暴露在潮濕的空氣中,框架材料會吸收水分子直至飽和,由於水分子能粘附在框架的內壁上,只要加熱粉末,我們就能得到液態水。”
  研究者將這種金屬-有機材料撒在盒子頂部,然後把放有材料的盒子放在另一個有蓋的透明盒子中。晚上的空氣相對潮濕,他們將盒子打開,讓空氣進來。卡普斯汀說道:“白天我們把外層的盒蓋打開,把材料暴露在陽光下就行。”這樣材料被加熱,裡面的水就會蒸發並沿盒壁凝結。5 個小時之後,外面的盒子底部就能收集到液態水。
  當然,水電池現在生產水的量還比較少:每2磅(0.91 kg)金屬-有機材料能產生7盎司(0.2 L)水。研究者還在研究一種新型鋁基材料,以求成本更低、效率翻倍。找個大盒子多放點粉末,你就能收集到更多的水。
  水電池能承受至少 150 次循環而不產生性能退化。卡普斯汀說道:“我們分析了收集到的液態水的純度,沒有檢測到任何從水電池上脫落下來的有機或無機部分,所以材料很穩定,裝置的性能也不會隨使用次數增多而退化。”
  此外,這個系統的優點在於它不需要來自人類的主動供能——使用的能量完全來自於太陽。它在野外也能發揮作用——在美國亞利桑那州(Arizona)的試驗中,盡管白天的濕度降到了 8%,研究者也能用這個裝置收集到液態水。
  當然,類似的技術並不能解決全世界的用水難題。但是卻能在缺水地區實現水資源的多樣化,這是一條很重要的原則——只靠水管輸送遠方的降雨,你簡直在自找麻煩。雖然目前類似金屬-有機框架、收集電離霧這樣的技術並不是哪裡都適用,但終有一天,他們會阻止人類走上資源耗盡的窮途末路。




點評

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