紧凑型大气水收集装置可从稀薄的空气中产生水

地球大气层中蕴藏着大量的水，其水量足以填满犹他州大盐湖的800倍。提取部分水分被视为一种潜在的方法，可以为全球数十亿面临长期缺水问题的人们提供干净的饮用水。

现有的大气水分收集(AWH)技术在尺寸、成本和效率方面存在诸多缺点。但犹他大学工程研究人员的最新研究得出了可以提高效率的见解，使世界更接近利用空气作为干旱地区烹饪水源的目标。

这项研究揭开了首款紧凑型快速循环燃料燃烧式AWH装置。据《CellReportsPhysicalScience》杂志上发表的论文的资深作者、机械工程学助理教授萨米尔·拉奥(SameerRao)介绍，这种两步式原型依靠吸附材料从非湿润空气中吸收水分子，然后加热将这些分子释放成液体形式。

“吸湿材料本质上对水具有亲和力。无论你走到哪里，它们都会吸收水分。最好的例子之一就是尿布里面的东西，”恰巧有一个婴儿儿子的Rao说道。“我们使用一种称为金属有机骨架的特殊吸湿材料。”

Rao将金属有机骨架比作乐高积木，可以重新排列以构建各种结构。在这种情况下，它们被排列成一种非常适合气体分离的分子。

犹他大学机械工程系的SameerRao和NathanOrtiz介绍他们的大气水收集装置。图片来源：BrianMaffly。

“他们可以专门吸附空气中的水蒸气，而不会吸附其他物质。它们真的很有选择性，”Rao说。该原型由研究生NathanOrtiz(这项研究的主要作者)开发，使用富马酸铝制成面板，当空气通过时收集水。

“水分子本身会被困在材料表面，这是一个可逆过程。因此，它不会扎根在材料本身中，而是停留在壁上，”奥尔蒂斯说。“这些吸水材料的特殊之处在于它们具有巨大的内部表面积。水分子可以停留的位置非常多。”

拉奥表示，仅一克这种材料的表面积就相当于两个足球场。因此，只需少量材料就能捕获大量水分。

“所有这些表面积都是分子级的，”拉奥说。“这对我们来说太棒了，因为我们想将水蒸气困在这种材料孔隙内的表面积上。”

这项研究得到了DEVCOM士兵中心的支持，这是国防部运行的一个项目，旨在促进支持陆军现代化的技术转让。陆军对该项目的兴趣源于士兵在水源稀少的偏远地区作战时需要保持水分。

“我们专门研究了这种装置的国防应用，以便士兵拥有一个小型紧凑型水生产装置，而不必携带装满水的大水壶，”拉奥说。“这实际上可以按需生产水。”

拉奥和奥尔蒂斯已经根据该技术申请了初步专利，该技术也满足了非军事需求。

“当我们设计这个系统时，我认为我们也考虑了更广泛的水问题。这不仅仅是一个国防问题，更是一个民用问题，”拉奥说。“我们考虑的是家庭每天的饮用水消耗量。大约是每天15到20升。”

在这次概念验证中，原型实现了每公斤吸附材料每天生产5升水的目标。据Ortiz称，在现场使用三天后，该设备的表现就超过了包装水。

在该装置的第二步中，使用标准陆军野营炉加热，使水凝结成液体。这是因为其集水过程具有放热性质。

“当它收集水时，它会释放出少量的热量。然后为了逆转这一过程，我们增加热量，”奥尔蒂斯说。“我们只是在这里放一团火焰，任何能使温度升高的方法。然后随着温度的升高，我们迅速释放水分子。一旦我们有了真正潮湿的气流，就会使在环境温度下凝结变得容易得多。”

目前，收集大气水分的技术层出不穷，当空气潮湿时，收集水分更容易实现。但目前还没有哪项技术能够用于干旱环境。奥尔蒂斯相信，他的设备可以成为第一个，主要是因为它使用能量密集型燃料，如野营炉使用的白色汽油。

该团队决定不使用光伏能源。

“如果你依赖太阳能电池板，那么就只能在白天运行，或者需要电池，这只会增加重量。你不断面临挑战。它占用了太多空间，”奥尔蒂斯说。“这项技术在干旱条件下效果更佳，而制冷在高湿度条件下效果最佳。”

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