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~~~从干燥空气中汲水
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2017年04月30日 星期日 放大 缩小 默认   
太阳能集水器“无中生有”
从干燥空气中汲水
稼正
MOF-801图示,蓝色为锆聚集簇,黄色为储水空间
集水器,红黄色为冷凝板
■ 夜间吸附日天出水的设想
  在美国麻省理工学院一栋建筑的屋顶,测试了一台从空气中收集水的设备,它1小时“无中生有”地集水2.8升,超过5个易拉罐的量。特别不容易的是,这是在干旱地区常见的20%-30%的湿度水平下完成的。

  那么,集水器用电了吗?没有。用燃料了吗?也没有。唯一使用的能源,就是大自然赐予的太阳能。而设备的关键部件,则是1公斤由加州大学UC伯克利分校奥马尔·亚基教授研制的金属-有机骨架材料(MOF)。

  亚基20年多前发明了金属-有机框架,他将有机分子与一些金属(如镁或铝)组合,像结构玩具那样,构建成刚性的多孔结构,对储存气体和液体十分理想。一直以来,世界各地研究人员创造了不下2万种不同的MOF材料应用于气体分离与储存、空气除湿以及催化反应中。

  这次安装到集水器样机中的MOF-801,是亚基及其UC伯克利团队在2014年创造的,由金属锆的聚集簇与己二酸连接合成,形成三维网络多孔框架,结构中包含3个对称独立的空间,用以捕获水分子。

  在亚基的建议下,麻省理工学院机械工程教授伊芙琳·王决定联手将MOF用于水收集系统。她和学生设计的系统包括约1公斤尘埃大小的MOF晶体,置于太阳能吸收单元与冷凝板之间的薄铜板上,安装在空气室。环境中的空气扩散通过多孔MOF时,水分子优先附着到内表面。室顶的玻璃板让进阳光,加热MOF将捕获的水引向冷凝器。冷凝器温度与外界气温相同,在此凝结的液态水滴入收集器。

  亚基说,“这是从低湿度空气集水长期挑战的重大突破。现在没有其他方法能不耗用额外能量而实现集水。未来的目标之一是离网有水。一个设备,靠太阳能运行,在远离市政管网的环境下汲水满足家庭需要。本次实验后,我认为这是可能的。”

  亚基说集水器还有改进余地。目前的MOF只能吸收水中20%的重量,而其他MOF材料能吸收40%以上。还可以研究材料如何调整,适应较高或较低的湿度水平。

  “我们不只是做了个收集水的被动装置,而是奠定了实验和理论两方面的基础,以便制造成千上万的其他MOF,从中筛选找到更好的材料。在收获水量方面还有很大的潜力。不过这只是工程方面的问题。”

  “比如设计成能在夜间吸附水汽,而在白天释放,让集水进程整天都在进行(见附图)。”他说,“或设计让更多空气、以更快速度进入其中的机型。我们还想证明,如果被困沙漠,借助我们的设备可能生存。每人每天大约需要一易拉罐的水,这是系统不到1小时就能收集到。”稼正

     
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太阳能集水器“无中生有”
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