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        霧氣水汽集水技術(shù)進展綜述

        2020-06-03 17:08:37謝瓊丹職鳴奕
        科技風(fēng) 2020年16期

        謝瓊丹 職鳴奕

        摘 要:水是生命之源,如何從自然界中索取干凈的水源是人類解決生存生活的首要問題。河流水、湖泊水、淺層地下水僅占淡水總儲量的0.3%。大量的水以霧氣水汽的形態(tài)存在于空氣中。因此,如果能高效收集空氣的霧氣水汽,將能為人類提供一個重要的干凈水資源。本文綜述了目前霧氣集水的技術(shù)進展,并展望未來此方向的技術(shù)發(fā)展趨勢。

        關(guān)鍵詞:霧氣;淡水;集水

        1 世界水資源現(xiàn)狀

        水是生命之源。如何從自然界中索取干凈的水源是人類解決生存生活的首要問題,而大部分近現(xiàn)代文明都孕育于淡水源旁并以淡水源作為命名,例如中國的黃河/長江文明,埃及的尼羅河文明。淡水源主要來自于降雨/雪,冰川融化等匯集成的河,湖泊和地表水。隨著中國城鎮(zhèn)化進行的深入,城市的規(guī)模越來越大,淡水的供應(yīng)缺口也越來越大,如何持續(xù)獲得足夠的淡水供應(yīng)成為挑戰(zhàn)。在邊遠地區(qū),地表水匱乏,面臨嚴(yán)重的缺水問題。缺水也是貧困的根源之一。

        科學(xué)家和工程師將目光投向了水的另一種常見形態(tài):霧氣。尤其在邊遠山區(qū),如能有效采集霧氣作為淡水的來源,將能將利用山區(qū)多霧解決山區(qū)缺水問題。霧氣由懸浮于空氣中的微細水滴(霧滴)組成的。這些微小的霧滴半徑只有1000至50微米,因此單個的霧滴肉眼很難看得清,積聚在一起的億萬顆霧滴才能形成被人們看得清的霧狀。霧氣作為水普遍存在形式之一具備重要的開發(fā)價值。在無空氣工業(yè)污染的條件下,采集下來的霧氣成水可以直接進行飲用。

        2 霧氣集水技術(shù)進展

        沙漠中長期生存的動植物進化出了收集水分的生物結(jié)構(gòu)。仙人掌經(jīng)過演化,葉子逐漸退化,變成了針狀或刺狀,這就從根本上減少了葉面蒸騰。進一步的研究發(fā)現(xiàn)仙人掌葉面的刺可作為空氣濕氣的集水結(jié)構(gòu),仙人掌上定向排列的錐形小刺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉普拉斯壓力差,能有效地快速集水和向肉掌根部傳送收集好的水。沙漠中的布甲蟲就是采集水分的佼佼者;它背部的特殊構(gòu)造可以最大化接觸富含水分的空氣,配合翅膀上一種超級親水的紋理和防水凹槽,當(dāng)水分子達到一定濃度時,就可以形成水珠并滾落它口中。蜘蛛絲利用拉普拉斯壓力差來收集霧氣集水。

        在霧氣集水工程應(yīng)用中,工程師們借鑒了這些自然界的巧妙方法;利用霧氣粒子與親水性網(wǎng)結(jié)構(gòu)的碰撞并凝結(jié)于網(wǎng)結(jié)構(gòu),滴落成水。意大利設(shè)計師,阿圖洛·維托里(Arturo Vittori)在埃塞俄比亞設(shè)計搭建了WarkaWater霧氣集水水塔:搭建一個花籃形狀的塔型建筑,采用竹子或蘆葦作為框架材料,利用上面懸掛的織物來收集霧氣。這種輕型結(jié)構(gòu)的設(shè)計十分簡單,只需要村民用當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作物材料和他們所掌握的編織技能就能完成。用蘆葦搭建的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)外殼,可以收集霧氣凝結(jié)的水珠,然后引流滑入底下的儲水容器里。每天可以存儲50到100公升的淡水,而且造價只需約500美元,還不需要借助任何機械工具進行安裝。右圖為在埃塞爾比亞安裝的一個WarkaWater水塔的實例圖。

        目前的工程應(yīng)用中以水汽在網(wǎng)狀凝結(jié)物的凝結(jié)并滴落匯集成水作為主要的工程應(yīng)用點,這里稱之為被動集水法。但這種方法受限于空氣的流動、溫度、霧氣的濃度等。若想實現(xiàn)霧氣集水的持續(xù)性和量產(chǎn)性,亟待開發(fā)主動性的霧氣集水技術(shù)。實際應(yīng)用中有利用空氣壓縮機或者半導(dǎo)體制冷等方法,將霧氣冷凝聚集來集水。此方法耗能大,在實用性上受限于能耗和便攜性。2018年,MIT的Varanasi等人創(chuàng)造性的提出了利用超高壓電場電離霧氣粒子周圍的空氣,并使得霧氣粒子帶電,在電場的作用下,帶電的霧氣粒子向接地的鐵網(wǎng)遷移,放電并吸附在鐵網(wǎng)上實現(xiàn)了凝結(jié)。這種方法有很高效的凝結(jié)效率,耗電量低。從而真正實現(xiàn)了霧氣集水的主動化。這個方法需要利用極高的電壓(>5千伏特)。高壓電暈放電還會產(chǎn)生臭氧等有害物質(zhì)。以此這個方法的實用性和安全性上需要一個更安全的改進方法。金屬有機骨架材料(MOF),這種材料把有機分子和金屬原子連接在一起,形成具有非常大表面積的多孔洞的材料。巨大的表面積賦予了MOF材料高效的吸附能力;據(jù)報道,一千克新型MOF材料每12個小時可以從濕度為20%的空氣中吸取2.8升的水。利用MOF可以設(shè)計制備出夜間吸收水汽,白天利用太陽光照熱量將吸附的水分子釋放出來,從而實現(xiàn)從空氣中循環(huán)獲取水資源。

        立于埃塞俄比亞某村的WarkaWater蓄水塔,能從空氣中霧氣集水的蓄水塔,實際例子圖。圖片來源www.warkawater.org

        3 結(jié)語

        目前霧氣集水法分兩種。第一種為利用網(wǎng)狀或者親水表面來凝聚霧氣粒子的被動收集法;第二種方法為主動式霧氣水汽凝聚,包括了低溫表面凝聚,高壓放電收集,金屬有機框架吸附材料。被動凝聚收集受限于收集效率,天氣等條件;而主動收集法受限于能耗,便攜性等問題。因此未來的技術(shù)發(fā)展需要朝著綜合這兩種方法的優(yōu)點的方向出發(fā)。

        參考文獻:

        [1]Yaodong Tu,Ruzhu Wang,Yannan Zhang,Jiayun.WangProgress and Expectation of Atmospheric Water Harvesting,Joule 2018,2,1452-1475.

        基金項目:三亞市院地科技合作基金(2019YD13)資助

        作者簡介:謝瓊丹(1980-),男,海南三亞人,博士,研究方向:環(huán)保、新材料、防彈織物等;職鳴奕(1999-),男,三亞學(xué)院信智學(xué)院本科生。

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