新型太陽能集水設備沙漠實測,空氣再乾都能榨出水分

去年,科學家基於金屬有機框架材料(MOF)開發出動力全來自太陽能的水資源收集設備,12 小時內從相對溼度只有 20% 的空氣中吸取了 2.8 公升水。今年團隊前往沙漠地區進行實測,結果證明該設備也能在極低濕度(8%)的空氣中吸收水分,假如有天你不幸迷失在沙漠,或許你能靠這種簡單裝置活下來,堅持到救援出現。

地球上有 70% 物質都是水,但人類實際可飲用的淡水只占其中 2.5%,隨著人口增長、氣溫上升,全球水危機也日益嚴重,促使科學家開發更好的水資源收集方式。多數研究集中在海水淡化技術,但也有少數研究鑽研如何從乾燥空氣中「榨取」稀有水分。

麻省理工學院團隊去年初利用加州大學柏克萊分校終身教授、知名化學家奧馬爾·亞基(Omar Yaghi,註)發明的金屬有機框架材料(metal-organic framework,MOF),開發出一款新型集水設備,將多孔 MOF 晶體壓縮在太陽能吸熱器與冷凝板之間,其原理是當空氣流過 MOF 時,水分子被 MOF 束縛,接著等陽光照射加熱設備,水分子變成蒸氣釋出,於箱子內部冷凝成液態水並往下滴入收集器中。

當時團隊於學院大樓屋頂進行測試,條件與莫哈維沙漠(Mojave Desert)相似(平均濕度約 20%),12 小時內從空氣中吸取了 2.8 公升水,創下令人驚訝的紀錄,這項技術不但不需要相對濕度高的條件,能源效率也比其他現有技術好。

▲ 麻省理工學院團隊利用金屬有機框架材料於 2017 年開發的集水設備。(Source:加州大學柏克萊分校

今年,團隊將測試地點移往沙漠現場,位於美國極西之鎮斯科茨代爾(Scottsdale),在那裡,相對濕度從夜間的 40% 下滑至白天的 8%。而實測結果顯示,只要添加更多金屬有機框架材料,就算濕度極低,設備也能擴大規模吸收更多水分,平均每使用 1 公斤 MOF 材料可收集 220 毫升水。

不過上述測試使用的 MOF 材料(MOF-801)由昂貴金屬鋯(zirconium,化學符號 Zr)製成,所幸奧馬爾現在已經開發出由鋁製成的新型 MOF 材料(MOF-303),價格可便宜至少 150 倍,目前在實驗室測試中捕獲多 2 倍的水,相當於每 1 公斤 MOF 材料可生產超過 400 毫升(3杯)水。

團隊正摩拳擦掌準備進行新型 MOF 材料的實地測試。

▲ 此為由鋁製成的新型 MOF-303 材料結構圖。(Source:加州大學柏克萊分校

「一個人每天至少要喝一杯罐裝可樂容量的水,而 MOF 裝置能在 1 小時內收集到這些水量。」科學家想證明,假如你不幸於沙漠中迷失方向,你可以靠這種裝置活下來,堅持至救援出現。在加州大學柏克萊分校釋出的影片中,一名研究人員真的喝下了這杯「水」。

實地測試結果已發表在《Science Advances》期刊。

註:奧馬爾·亞基(Omar Yaghi),曾獲評美國十大科學家,以發明金屬有機框架材料(MOF)、沸石咪唑酯骨架構造體(ZIF)、共價有機構造體(COF)等多孔結構聞名,全球研究人員依此創建了逾 2 萬種不同 MOF,用來捕獲二氧化碳、有效儲存氫或甲烷等化學物質。

(首圖來源:加州大學柏克萊分校

文章/圖片來源:科技新報

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