水是萬物之源，地球上的萬物生存都離不開水。地球表面絕大多數的面積都由水資源覆蓋，因而孕育出各種各樣的生命。然而，這些水資源中的，淡水總量約占地球總水量的2.8%。這么有限的淡水資源，以液態(tài)，氣態(tài)和固態(tài)的形式存在于陸地上的冰川、地下水、地表水和水蒸汽中，這其中可供利用的部分非常稀少。而且，這些淡水資源，特別是冰川、地下水和地表水在陸地上的分布極不均衡，導致地球表面仍然存在著很多干旱地區(qū)，使得人類難以生存。如何解決偏遠地區(qū)和旱區(qū)的生活用水問題具有非常廣泛和普適性的價值？諝庵刑N含有大量未被利用的水資源，即使在偏遠地區(qū)和干旱的沙漠中也含有大量的水蒸氣，將空氣中的水蒸氣就地收集成水，不僅能節(jié)約了大量的勞力和能源成本，也能在地域上具有廣泛的普適性。另外，水蒸氣不含各種雜志和細菌，經過收集之后幾乎無需任何凈化和滅菌工藝，即可達到可供飲用的標準。再者，在機場周邊區(qū)域，空氣中的霧氣采集和去除還能降低霧氣對于飛機起降的影響。
自然界中的很多生命體在極端干旱的環(huán)境下仍然能夠生存和繁衍。為了解決旱區(qū)的淡水問題，研究人員師法自然，從自然界生物中學習空氣中集水的本領。在自然界中，已經發(fā)現有多種動植物和昆蟲具有集水本領。仙人掌具有極強的耐旱性，是因為仙人掌表面上成簇分布的親水性圓錐棘結構可以捕獲空氣中的水汽，并且將逐漸合并變大的液滴定向地移動至芒刺簇地根部被仙人掌所吸收。沙漠甲蟲可以在沙漠中生存和繁衍，是因為沙漠甲蟲的背部具有超親水和超疏水區(qū)域相間排布的凸面結構，凸面上的親水區(qū)域可以捕獲空氣中的水汽，隨著水汽的增大和相鄰親水區(qū)小水滴的合并過程，最終水滴會大到其重力足以克服昆蟲背部凸面上親水區(qū)域對水滴的附著力，使得水滴沿著凸面滾落被昆蟲取用。蜘蛛在空中織網而身居其中，也是靠著蜘蛛網絲上規(guī)律排列的紡錘節(jié)結構來捕獲空氣中的霧氣，捕獲的霧氣在通過不斷地長大和融合，最終提供蜘蛛生存所需的水分。
圖：自然界與人工制備的一些典型集水材料和系統(tǒng)
近日，深圳大學王奔博士、周學昌教授，湖北大學郭志光教授以及蘭州化物所劉維民院士聯(lián)合在Nano Today上發(fā)表了題為”Recent advances in atmosphere water harvesting: Design principle, materials, devices, and applications”的綜述，在這篇綜述中，基于對結構和表面化學成分的合理設計，總結了集水材料開發(fā)的最新進展。介紹了這些集水過程的機制和影響因素。基于開發(fā)的材料，介紹了集水裝置和系統(tǒng)，包括非耗能集水系統(tǒng)、太陽能供能集水系統(tǒng)、其他外部耗能集水系統(tǒng)。作者們也討論了用于農業(yè)應用的新興空氣集水灌溉系統(tǒng)。最后，作者們討論了集水材料/裝置目前還存在的問題、挑戰(zhàn)和未來的研究方向。
(圖片來源：nano today官網)
實際環(huán)境和材料設計都會影響收集的水。對于集水材料/表面的設計，可以通過增加材料的水分捕獲能力、促進定向輸送、抑制集水蒸發(fā)、提高多孔骨架的吸附能力等措施來提高集水效率, 同時也需要考慮降低解吸溫度, 增加太陽能熱吸附劑的光譜吸收,大規(guī)模生產能力、生物毒性和成本。
要將集水材料轉化為真正可用的系統(tǒng)，可能需要將許多必要的附件與材料集成在一起。對于表面化學梯度和表面結構驅動的集水材料，該裝置可以簡單地由集水材料、排水系統(tǒng)和儲水箱組成。還可以集成外部能量收集裝置以促進水收集過程。對于以太陽能為動力的吸附-解吸技術，該裝置通常是一個密封或半密封的系統(tǒng)，包括水冷凝器、散熱器和蓄水池。
盡管研究人員在各種集水材料和裝置的開發(fā)方面做出了相當大的努力，但在實際的日常生活和生產中，特別是在相對較低的極端環(huán)境中，實現高效、自給自足的供水仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，大部分集水材料是在高濕度環(huán)境下進行的，而大部分缺水干旱地區(qū)位于低濕度環(huán)境中。目前已經研究出少數材料/系統(tǒng)能夠在相對濕度低于 30% 的情況下從空氣中收集水分，但水分的產率相對較低，并且收集周期較長。特別是對于以太陽能為動力的集水裝置，集水受到晝夜周期的嚴重限制。大多數開發(fā)的系統(tǒng)每天只能執(zhí)行一個集水循環(huán)，通過這種方法獲得的水產量無法滿足不斷增長的缺水需求。其次，集水性能高度依賴于水分捕獲、水冷凝和運輸。然而，由于水冷凝和輸送的要求相互矛盾，仍然缺乏參數優(yōu)化的集水面設計指南。第三，當材料/表面捕獲大氣水時，表面上的水同樣面臨蒸發(fā)問題。如何防止集水過程中的蒸發(fā)損失需要進一步改進。第四，隨著該領域的研究重點從材料向器件轉變，研究成果的產業(yè)化可能涉及許多實際問題，例如技術可擴展性、易于運行、成本、耐用性、環(huán)境適應性等等。
該領域未來的方向可能仍側重于將具有優(yōu)異收集率的新型材料合理整合到實用的集水裝置中，以促進不同場景的實際應用。除了影響集水性能的材料和表面結構外，溫度、海拔、風、濕度等外在因素也應越來越受到關注，以提高集水系統(tǒng)和設備的環(huán)境適應性。在極度干旱和寒冷的地區(qū)，相對濕度非常低。未來的集水研究當然應該在低濕度條件下投入更多精力，盡管這將更具挑戰(zhàn)性。不僅偏遠和干旱地區(qū)的人迫切需要淡水，植物和家禽也需要持續(xù)供水。未來的集水系統(tǒng)也可能為農業(yè)應用而開發(fā)，這樣家禽的喂水和植物的灌溉能夠以智能和自給自足的方式完成。此外，集水系統(tǒng)還顯示出其通過吸附和解吸調節(jié)室內和艙內濕度的能力，使其在飛行器和潛艇等密閉空間中展現出巨大的應用潛力。
該文章第一作者為深圳大學助理教授王奔，共同通訊作者為深圳大學周學昌教授，湖北大學郭志光教授，蘭州化物所劉維民院士。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1748013221002085
- 賓夕法尼亞州立大學和得克薩斯大學達拉斯分校合作開發(fā)出既“親水”又“疏水”集水材料 2018-04-03
