该装置使用由富马酸铝制成的吸附剂材料面板来捕获水分子。图片来源:Dan Hixson
在陆军的资助下，犹他州的工程师们开发了一种从大气中收集水的装置，即使在干旱地区也是如此。
犹他大学(University of Utah)的研究人员推出了一种用于大气水收集的紧凑型设备，该设备利用燃料燃烧过程有效地从空气中提取水，有望缓解全球水资源短缺问题。
地球大气中含有大量的水，足以填满犹他州大盐湖800倍。提取部分水分被认为是一种有希望的解决方案，可以为全球数十亿长期缺水的人提供清洁的饮用水。
现有的大气集水(AWH)技术在尺寸、成本和效率方面都存在许多缺点。然而，犹他大学工程研究人员的一项新研究已经产生了可以提高效率的见解，并使世界离在干旱地区利用空气作为烹饪水源更近了一步。
该研究揭示了同类中首个紧凑型快速循环燃料燃烧AWH装置。这项发表在《细胞报告物理科学》杂志上的研究的资深作者、机械工程助理教授Sameer Rao说，这种两步原型依靠吸附材料从非潮湿空气中吸取水分子，然后加热将这些分子释放成液体形式。
“吸湿材料本质上对水有亲和力。无论你走到哪里，它们都能吸收水分。其中一个最好的例子就是尿布里面的东西，”拉奥说，他恰好是一个婴儿的父亲。“我们使用一种特殊类型的吸湿材料，称为金属有机框架。”
机械工程师内森·奥尔蒂斯(左)和萨米尔·拉奥教授描述了他们开发的一种从大气中提取淡水的设备。图片来源:Dan Hixson
Rao将金属有机框架比作乐高积木，可以重新排列以构建各种结构。在这种情况下，它们被排列成一种理想的气体分离分子。
“他们可以使它专门吸收空气中的水蒸气，而不是其他任何东西。他们真的很挑剔。”与该研究的第一作者、研究生内森·奥尔蒂斯(Nathan Ortiz)一起开发的这个原型，使用富马酸铝制成面板，在空气通过时收集水。
“水分子本身被困在我们的材料表面，这是一个可逆的过程。因此，它不会在材料本身中根深蒂固，而是放在墙上，”奥尔蒂斯说。“这些吸收材料的特别之处在于它们具有巨大的内表面积。有很多地方可以让水分子卡住。”
Rao说，一克这种材料的表面积相当于两个足球场。所以一点点材料就能捕获大量的水。
技术细节和军事应用
Rao说:“所有这些表面积都在分子尺度上。”“这对我们来说太棒了，因为我们想把水蒸气困在这种材料孔隙内的表面上。”
该研究的资金来自DEVCOM士兵中心，该中心是由国防部管理的一个项目，旨在促进支持陆军现代化的技术转让。陆军对该项目感兴趣的原因是，在水源稀少的偏远地区作战时，需要为士兵保持水分。
Rao说:“我们特别着眼于国防应用，这样士兵们就可以有一个小型的紧凑型水力发电装置，而不需要拖着一个装满水的大水壶到处走。”“这确实可以按需生产水。”
拉奥和奥尔蒂斯已经根据这项技术申请了初步专利，该技术也可以解决非军事需求。
“当我们设计这个系统时，我认为我们也有更广泛的水问题的视角。这不仅仅是一个国防问题，更是一个民用问题。”“我们考虑的是一个家庭每天饮用水的用水量。每天大约15到20升。”
在这个概念验证中，原型机实现了每公斤吸附剂材料每天生产5升水的目标。奥尔蒂斯说，在野外工作三天的时间里，这种设备的性能就会超过包装水。
在设备的第二步中，通过使用标准的陆军野营炉加热将水沉淀成液体。这是因为它的水收集过程的放热性质。
“当它收集水的时候，它会释放少量的热量。然后为了扭转这种情况，我们增加热量，”奥尔蒂斯说。“我们只是在这里放了一根火，任何能让温度升高的东西。随着温度的升高，水分子迅速释放。一旦我们有一个非常潮湿的气流，这使得在环境温度下凝结更容易。”
大气水收集的新技术很多，在空气潮湿时更容易完成，但没有一种设备可以在干旱环境中实际使用。奥尔蒂斯相信他的设备可以成为第一个，主要是因为它是由能量密集的燃料驱动的，比如露营炉中使用的白色汽油。
该团队决定不使用光伏电池。
“如果你依赖太阳能电池板，你只能在白天工作，或者你需要电池，这只会增加重量。你一直在堆积挑战。它只是占用了太多的空间，”奥尔蒂斯说。“这项技术在干旱条件下具有优势，而在高湿度条件下制冷效果最好。”
参考文献:“紧凑型快速循环燃料大气水收集装置全天生产”，Nathan P. Ortiz和Sameer R. Rao, 2024年7月22日，《细胞报告物理科学》。DOI: 10.1016 / j.xcrp.2024.102115
这项研究是由DEVCOM陆军研究实验室和美国国家科学基金会资助的。
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