寻找新水源:从空气中拧出水来

8月8日,人类以历史最快速度进入“地球生态超载日”——这意味着,在去年8月13日的基础上,又提前5天将全年的自然资源配额使用殆尽,水资源首当其冲。

水是生命之源,寻找新的水资源将成为严峻的现实问题。科学研究揭示,全球大气中含有约12.9万立方千米的水,相当于世界上所有江河水量的6倍多。大气中,约有98%的水分始终保持蒸气状态,其余2%会作为雨或雪在地面和空中往复。大自然通过蒸发和凝聚循环,保持了这个比例相对稳定。可见,空气中蕴藏着巨大的淡水资源,只要有空气的地方,就有水源。如果能从空气这个取之不尽、用之不竭的天然水“水库”中取得源源不断的水,将打破地域的局限性,带来取水方式的巨大变革。

对沿海内陆地区来说,从空气中取水是锦上添花;对干旱沙漠地区来说,更是雪中送炭。从空气中制取水,就地取材是其最大优势,几乎全球所有的地方都可以利用空气中的水分。即使在最干旱的环境中,在不影响当地自然生态环境的前提下,也能从空气中制取足够的水。比如撒哈拉沙漠地区,在正常气压下,那里每立方米的空气中含有8克水,这相当于在一个普通房间大小的空间内约有1斤水。而且,这种水资源取之不尽,完全能满足人们对饮用水的需求。

要从空气中拧出水来,科学家想出了不少方法。比如,仿生法取水。这种方法主要是模仿沙漠中仙人掌和猪笼草等生物的生存绝技,模拟其独特的生理结构,从干旱的空气中收集水分。仙人掌内部复杂的网络输水效率高,猪笼草体内涂满黏液的光滑表面可以减少水滴在运输过程中的损耗。通过理论模型优化,将仙人掌刺的不对称、猪笼草几乎无摩擦涂层等特点结合起来,可以设计出效果不错的仿生材料,并通过3D打印技术进行生产。这种方法面临的主要挑战是,如何控制水滴大小、形成速度及其流向。为有效提高仿生材料富集水的效率,可以在材料粗糙的表面涂上一层润滑剂,让仿生材料表面的摩擦力近乎为零,有利于让水滴在材料中有方向地流动,从而加速空气中水汽的凝结速度。

机电法收集空气中的水分已算不上是新发明,商用和家用空气制水机已经存在。空气制水机原理类似于抽湿机,吸入的是潮湿空气,排出的是干净的水。普通的电压缩——扩张制冷机工作原理模拟大自然的降雨现象,利用电制冷技术将空气冷却,水汽冷凝并集聚成水,再对收集起来的水利用逆渗透净水技术,通过多层级过滤、杀菌消毒生产出洁净的饮用水。因此,要从空气中提取水,必须先收集空气,这一过程实际上就是对水进行富集。空气制水机的制水能力主要取决于空气环境湿度的大小,湿度越大,制水越容易。

空气制水看似简单,实则技术要求特别高。现有空气制水的机器具有很大的局限性:能耗太高,成本太大。而改进型空气制水机是先将水汽与空气分离,再让水汽进入冷凝器。这类制水机的核心部分是一个水分吸收系统,利用干燥剂先将水汽与空气分离,干燥剂吸收的水汽可以利用低品位热能或太阳能将其释放出来,然后由普通的制冷系统将其冷凝成水。这种类型的制水机比普通制水机可节能约65%。

从空气中取水不仅能为干旱缺水地区的人们带来福音,还可应用于军事后勤保障、医疗卫生等。目前,影响空气制水技术进入市场的最大问题是成本:空气制出每1立方米水,约花费67元,而海水淡化每1立方米水,成本约为5元,差距很明显。随着技术的进步,如果空气制水成本能降低到比淡化海水或处理污水低,那么,这种方法将会具有广阔前景。

总之,从空气中制取水实用性强、前景广阔,关键要加快技术创新,找到更廉价、更高效的吸湿或仿生材料。寻找新水源:从空气中拧出水来插图

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