大氣淡水含量豐富

目前，人類能夠直接利用的淡水取自地下水、湖泊淡水和河床水。干凈的飲用水是人類最基本的必需品，然而現(xiàn)在卻變得越來越稀缺。

美國期刊《科學(xué)進(jìn)展》去年刊登的一份新研究報(bào)告稱，全球超過40億人每年有至少一個(gè)月面臨水資源嚴(yán)重短缺問題，受波及的人數(shù)占世界總?cè)丝谌种砻魅蛩Y源短缺情況比原先估計(jì)更為嚴(yán)重。此前多個(gè)研究報(bào)告預(yù)測，全球受水源短缺影響的人口介于17億至31億。隨著人口不斷增長與用水量上升，缺水危機(jī)勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步惡化。研究報(bào)告還提到，約有5億人口的耗水量是他們居住地區(qū)全年降雨量的兩倍，意味地下水水位急劇下降，大量人口的生存變得岌岌可危。這項(xiàng)按月進(jìn)行的新研究對(duì)人類居住地周圍約50公里以內(nèi)的水資源進(jìn)行分析，涵蓋1996年至2005的10年數(shù)據(jù)，凡是用水量為補(bǔ)充水源的兩倍以上即定義為水資源嚴(yán)重短缺。

面對(duì)日趨嚴(yán)重的水資源短缺，為了解決淡水供應(yīng)問題，人類提出了跨區(qū)域調(diào)水和海水淡化等方法。但是無論從遠(yuǎn)處調(diào)水，還是淡化海水，成本都比較高，難以廣泛使用，科學(xué)家轉(zhuǎn)而尋找其他獲取淡水的辦法。事實(shí)上，大氣中水的含量約有13000萬億升，總量是世界上所有江河水量的6倍多。其中大約2%作為降雨落到地面，剩余的98%依然處于水蒸氣的狀態(tài)。如果能夠有效地加以利用，將會(huì)為解決水資源提供有效的解決方案。

人們無法從一塊石頭中擠出水來，但是從干燥的空氣中“擰”出水來卻是可能的。智利北部的阿塔卡馬沙漠被認(rèn)為是世界上最干旱的沙漠，那里的很多氣象站從來沒有過降雨記錄。不過當(dāng)?shù)氐臍庀笱芯繂T找到了一種簡單實(shí)用的方法來獲取水資源，用若干張大網(wǎng)來收集霧水。霧水在網(wǎng)上凝結(jié)成水珠，積少成多，收集到的水用于飲用和灌溉，讓在沙漠中發(fā)展農(nóng)業(yè)成為可能。智利一所高校的水源研究中心認(rèn)為，如果能夠擴(kuò)大這種霧水收集裝置的規(guī)模，那么就有可能在更大程度上改變沙漠干旱的環(huán)境，有助扭轉(zhuǎn)當(dāng)?shù)厣衬默F(xiàn)象。專家說，這種收集水的方法雖然簡單，但是非?？尚小Ｋ麄冞€做了實(shí)驗(yàn)，證明收集霧水能將沙漠變成大規(guī)模的農(nóng)田和花園。

以一個(gè)名叫查尼亞拉爾的村莊為例，當(dāng)?shù)鼐用裼脦资畯執(zhí)刂坪谏缶W(wǎng)集水的場面蔚為壯觀，形成了一道獨(dú)特的風(fēng)景。這種大網(wǎng)用聚丙烯網(wǎng)片制成，每張面積36平方米（12米×3米），用兩根桿子支撐起來豎在沙漠里，收集水珠非常管用。雖然這里常常連續(xù)幾年沒有降雨，但是寒冷的近海氣流會(huì)定期從太平洋上大量涌來。大網(wǎng)通過獲取氣流的水分后變得十分潮濕，水珠會(huì)附著在網(wǎng)上，慢慢集聚成一股股細(xì)細(xì)的水流，沿著特制的管道流到儲(chǔ)存用的水箱中。一張大網(wǎng)一天能收集150升非常純凈的水，可供人放心飲用，也能用于農(nóng)業(yè)灌溉。村子里的居民已經(jīng)在沙漠里大面積種植蘆薈，靠大網(wǎng)收集起來的霧水灌溉。而在此之前，這座村子的用水都是從數(shù)百公里遠(yuǎn)的安第斯山脈通過管道或用拉水的大卡車運(yùn)送來的。

收集霧水用的大網(wǎng)由加拿大的非營利性組織“探霧”（FogQuest）制造，該組織實(shí)地考察后發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐拇箪F每立方米約含0.05～0.5克的水，具有收集利用的價(jià)值，平均每天可以提供12000升水。這種做法被當(dāng)?shù)鼐用駨V為接受，南美洲太平洋沿岸的秘魯、厄瓜多爾和危地馬拉等國家很多社區(qū)已經(jīng)建造了捕霧大網(wǎng)，用來給新栽的樹木供水。這種系統(tǒng)建立起來后，樹木就可以通過葉子為自己收集霧氣，在沙漠中重新創(chuàng)造以霧為基礎(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)。

新技術(shù)低能高效

收集空氣中的水分，這是一個(gè)老生常談的話題，很多研究學(xué)者圍繞這一課題做了大量的工作。傳統(tǒng)的空氣取水技術(shù)主要分為兩種，一種是通過空氣冷卻器來實(shí)現(xiàn)。在濕空氣與表面溫度較低的冷卻器接觸的過程中，當(dāng)溫度低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣就會(huì)凝結(jié)，從而在冷卻器表面產(chǎn)生一層水膜。另一種則是用吸濕性強(qiáng)的固體或液體干燥劑吸收空氣中的水分，再加熱解吸，凝結(jié)水蒸氣得到淡水。

但現(xiàn)有的研究結(jié)果顯示，若想從空氣中收集水分，需要較大的空氣濕度，通常都是在霧氣中收集，而且還要消耗大量的能量。蒸汽濕度表示濕蒸汽中液態(tài)水分的重量占蒸氣總重量的百分比，在一定的溫度下一定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥。水汽越多，則空氣越潮濕。其中相對(duì)濕度指空氣中水汽壓與相同溫度下飽和水汽壓的百分比，或濕空氣的絕對(duì)濕度與相同溫度下可能達(dá)到的最大絕對(duì)濕度之比，也可指濕空氣中水蒸氣分壓力與相同溫度下水的飽和壓力之比。絕對(duì)濕度表示，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每立方米濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量，即水蒸氣密度。

從理論上來說，利用吸收少許能量（如太陽光）就能完成空氣中水分吸收和傳遞的材料，制成水吸收器件將是不錯(cuò)的選擇。然而迄今為止仍然未開發(fā)出一條有效的能夠在較低濕度條件下（20%以下）捕獲并輸送空氣中的水資源的方案。怎樣才能低能耗地從相對(duì)干燥的空氣（相對(duì)濕度20%或更低）中捕獲水分，仍然是個(gè)有待攻克的技術(shù)難題。最近傳來的好消息說，美國科學(xué)家開發(fā)出了一種新技術(shù)，根本不需要接入電網(wǎng)，僅憑靠太陽就能從沙漠中抽取出水分。他們希望，用這種現(xiàn)代化設(shè)備為地球上最干旱、最貧困的地區(qū)帶來純凈的飲用水。

新設(shè)備主要利用了一種有機(jī)分子與金屬原子互相連接而構(gòu)成的多孔復(fù)合材料MOF，可以通過無數(shù)個(gè)小孔吸取大量的水分。MOF由麻省理工學(xué)院（MIT）團(tuán)隊(duì)在加州大學(xué)伯克利分校（UCB）奧馬爾·亞吉教授的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研發(fā)完成。它是目前化學(xué)領(lǐng)域里發(fā)展最快的材料種類，已經(jīng)創(chuàng)造出兩萬多種。小孔的化學(xué)屬性和大小可以根據(jù)情況改變，捕捉特定種類的分子讓它們通過。巨大的表面積提升了MOF材料高效的吸附能力，比如MOF-177的內(nèi)表面積大約是每克5640平方米，相當(dāng)于一個(gè)7140平方米的標(biāo)準(zhǔn)足球場地，巨大的表面積讓它能和大量的分子結(jié)合。

奧馬爾教授是MOF的開創(chuàng)者和開拓者，早在20年前就開發(fā)出了主要用于儲(chǔ)存氫氣的MOF材料。2014年，他和UCB團(tuán)隊(duì)利用鋯和己二酸合成了一種可以用來吸附水的MOF材料。隨后與MIT設(shè)備研究實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人伊弗林·王以合作，利用這種新型MOF材料來開發(fā)一種水收集系統(tǒng)。根據(jù)分工，奧馬爾UCB團(tuán)隊(duì)研究提升MOF材料的吸水性能，伊弗林則主攻收集系統(tǒng)。

實(shí)際上，奧馬爾和伊弗林這套高效率的MOF水收集設(shè)備的工作流程并不復(fù)雜。晚上氣溫下降的時(shí)候，塑料匣子打開?？諝馔ㄟ^多孔的MOF材料后，水分子就會(huì)被吸附在MOF表面上。到了白天，塑料匣子密閉，太陽光照的熱量足以讓MOF材料釋放出水分子，轉(zhuǎn)化為蒸汽脫離小孔，進(jìn)入旁邊相連的丙烯酸外殼中。底部的冷凝器會(huì)收集水滴，純凈水會(huì)通過漏斗流入容器中。隨著溫度逐漸升高，形成的水滴也越來越大。

特別值得一提的是，整個(gè)過程僅需要低密度的能量，正是這一新型MOF材料的突破之一。奧馬爾和伊弗林合作團(tuán)隊(duì)將原型機(jī)放在20%濕度的空氣環(huán)境和模擬的陽光條件下進(jìn)行試驗(yàn)，也在戶外屋頂進(jìn)行了測試，證實(shí)了這種集水方式的可行性。在撒哈拉沙漠，平均濕度大約是25%。南美智利北部的阿塔卡馬沙漠是地球上最干燥的地方，平均濕度僅17%。從理論上說，這套新型設(shè)備可以讓人在水資源奇缺的沙漠中生存下來。

奧馬爾和伊弗林2017年4月14日在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文，介紹合作團(tuán)隊(duì)在MOF用于水收集領(lǐng)域的成果。他們?cè)O(shè)計(jì)的介孔MOF-801，在接受每平方米1千瓦特強(qiáng)度的太陽光照射下，可以從潮濕空氣中捕獲水。當(dāng)相對(duì)濕度為20%時(shí)，每公斤MOF可實(shí)現(xiàn)在沒有外界能量供應(yīng)時(shí)，每天收集2.8升水的效果。

以前的水收集技術(shù)只能在多云或是高濕度環(huán)境中使用，而MOF整個(gè)水收集過程無需太陽能板、電池或是其他外加能量。團(tuán)隊(duì)還打算繼續(xù)改良該技術(shù)，鋯的價(jià)格每公斤150美元（大約合1013人民幣元），使得設(shè)備成本太高而無法廣泛使用。合作團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在用鋁替代鋯的設(shè)計(jì)中獲得初步成功。鋁的價(jià)格是鋯的1%，大大降低了未來水收集設(shè)備的成本。伊弗林表示，德國化工巨頭BASF已將這種材料投入大大量生產(chǎn)，價(jià)格也在下降，很快就能開發(fā)出實(shí)用性產(chǎn)品。

這種新科技真的能為全球最干旱的地區(qū)帶來希望嗎？奧馬爾提出，如果在設(shè)備上添加太陽板或是其他能量源，水的產(chǎn)生量就能加大，今后可以應(yīng)用在工業(yè)或是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，但最有可能的方向是讓這些設(shè)備成為地球最貧困地區(qū)的日常家庭設(shè)備，讓干旱地區(qū)人民擺脫缺水之苦。“我們的愿景是提供一種可以不用電力只利用太陽能就可以滿足一個(gè)家庭的水收集設(shè)備，實(shí)驗(yàn)證明MOF水收集系統(tǒng)原理上可行。雖然MOF在水收集領(lǐng)域的應(yīng)用最近剛剛出現(xiàn)，但成果顯著。”奧馬爾指出，“水是生命之源，在水資源污染和匱乏的當(dāng)下，MOF水收集系統(tǒng)為人們緩解淡水緊缺的難題提供了值得借鑒的解決方案，未來依然有很大的提升空間?！?/p>