香港理工刘俊伟&严晋跃教授课题组Matter：全时段淡水收集材料与技术进展

淡水是人类生存的重要资源之一，目前正面临严重的短缺。在过去的十年里，太阳能驱动的海水淡化和大气集水在世界各地的研究下取得了重大进展。然而，水资源分布不均和天气条件仍然严重阻碍了它们的实际应用。太阳能驱动的海水淡化只在白天有效运行，导致夜间供水有限。开发有前景的全天候和全年集水策略不仅可以改善人类的淡水供应，还可以打破新兴集水技术在时间和地域方面的应用限制。目前还缺乏针对全天淡水采集的全面审查，阐述有前途的材料设计和实现连续集水的策略。因此，香港理工大学刘俊威教授严晋跃教授及其合作者整合了用于全天和全年淡水收集的材料和技术相关文章，该综述深入讨论了旨在实现全天候和全年淡水收集的材料和结构设计，目标是促进进一步的突破并克服该领域的现有限制。相关工作以Advances in full-day and year-round freshwater harvesting: Materials and technologies发表在Matter期刊。

2.1 概述

本文对全球在实现全天候淡水供应方面的研究成果进行了综述。首先介绍了太阳能驱动的海水淡化和大气集水（AWH）技术的工作原理，揭示了白天和夜间连续集水的机制。由于全天超高的产水率潜力，3D太阳能驱动界面蒸发器的材料设计备受关注。随后，详细讨论了三种AWH技术：集雾、结露-冷凝水收集和基于吸附的水收集。接下来重点讨论基于太阳能驱动的海水淡化和AWH方法相结合的混合集水材料和结构，这些方法在供应充足且低成本的淡水方面具有巨大潜力。最后，提出了全天集水进一步突破的有希望的研究方向，以推进其商业应用。

2.2 集水类型与原理

图1：基于新兴材料的太阳能驱动界面蒸发和全天淡水供应的AWH方法的工作原理

(A)基于多孔材料二维和三维蒸发器的太阳能驱动界面蒸发示意图(B)采用仿生材料设计的全天雾收集示意图(C)以辐射冷却为驱动力的结露水收集材料和装置设计示意图(D)基于有前景的吸附剂（例如金属有机骨架（MOF）和水凝胶）的吸附/解吸循环的吸附式水收集示意图

2.2.1 太阳能驱动的海水淡化技术

目前，太阳能驱动的界面蒸发已经实现了1.5-6.0 kg/ (m2h)的产水量。然而，通常用于2D蒸发器的材料由于蒸发面积有限，在夜间的蒸发速率较差。天气的偶然性对太阳辐射驱动的供水有很大的影响，而增加蒸发面积可以显著提高出水量，从而实现全天的淡水供应。相关研究已经证明，增加垂直面积的3D蒸发器在全天运行时提供足够的水方面大有希望。

对于3D蒸发结构，底层盐水也是加速水分蒸发以实现全天集水的有前途的热源。例如，Xu等人引入热导体（钢和铝）来开发有前途的3D蒸发结构，与隔热蒸发膜相比，该结构可以在白天和夜间显著提高水的蒸发率（如图2D-F）。除了通过全天蒸发加强供水外，3D蒸发结构还可以实现脱盐功能以进行再生，从而实现连续运行。例如，Jiang等人开发了受水车启发的旋转3D蒸发结构，可实现高效稳定的水蒸发。所开发的3D蒸发结构可以通过上下表面重量不平衡驱动的自动旋转，在太阳辐射下保持稳定的水蒸发（如图2G）。因此，旋转式三维蒸发结构可以在饱和盐水（26.47%）中连续运行24小时，实现了2.80 kg/(m2 h)的高且稳定的水蒸发率，而普通蒸发器很难从饱和盐水中获取淡水。

图2：全天供应淡水的三维太阳能驱动蒸发器的材料和结构

(A)用于高效水蒸发的3D蒸发结构的材料和结构的示意图(B) 3D蒸发结构的内部结构示意图(C)具有垂直排列的多孔结构和互连多孔结构的3D蒸发结构的水蒸发性能(D)带有柔性2D蒸发膜和导热支架的三维蒸发结构示意图和相应的红外图像(E F)具有导热支撑的3D蒸发结构的水蒸发性能(G)具有自清洁功能的旋转蒸发结构的材料和结构示意图(H)旋转蒸发结构在1天运行期间的自清洁性能

2.2.2 空气集水技术

（1）雾汽水收集

雾汽水收集是一种简便的方法，不消耗能源，也没有污染。收集方法通常包括两个过程：水的捕获和运输。在水的输送机制中，有三个主要驱动力发挥作用：润湿性梯度、拉普拉斯压力梯度和界面张力。

自然界中，许多动植物都能吸收和收获空气中的雾气以维持生存，比如纳米布沙漠甲虫、仙人掌、蜘蛛丝、猪笼草等。例如，Nie的研究小组受纳米布沙漠甲虫和仙人掌的启发，开发了一种具有不对称两亲表面的雾气收集器。这种不对称表面可以利用刺的不对称性来收集空气中的雾气，并通过拉普拉斯压力输送捕获的液滴（如图3A）。此外，受纳米布沙漠甲虫的启发，基于仿生疏水-亲水涂层对集水表面进行了处理，可以加速捕获的液滴的收集（如图3B），所设计的雾气收集器的集水率可达93.18 kg/(m2h)，仅运行1小时即可满足45人以上的淡水需求。

Ding的团队借鉴纳米布沙漠甲虫、蜂巢和猪笼草的微观结构，设计出极具前景的雾气收集器（如图3C）。多仿生雾气收集器由亲水性纳米纤维凸块和疏水性滑溜基底组成，可高效捕获雾气并输送水分，集水率达11.1 kg/(m2 h)。天然蜘蛛丝具有捕获雾气和输送水分的能力，可在多雾地区有效收集雾气。例如，Huan等人开发了亲水性双丝蜘蛛丝纤维，利用毛细管力和内部拉普拉斯压差实现快速输水，可提供高达90.3 kg/(m2 h)的淡水供应，与普通收集器相比增加590%。受到蜘蛛丝和仙人掌的拉普拉斯压差的启发，Zhang等人开发出了一种很有前途的竖琴结构雾收集器，可以实现高效、稳定的雾收集。此外，Venkatesan等人开发了一种具有周期性结的全丝蛋白纤维，用于定向集水，具有高体积-质量淡水供应能力。

图3：全天候供水的雾收集仿生材料设计

(A)基于不对称材料设计的雾收集示意图(B)使用仿生雾收集器的集水过程示意图(C)采用多种仿生材料设计的雾收集器示意图

（2）结露-凝结水收集

对于潮湿地区，可以采用冷却方式，通过增加蒸汽压力来收集空气中的水蒸气，使得水在集热器表面凝结。辐射冷却技术可以有效地将薄膜温度降低5-10℃，促进水蒸气的凝结，实现全天候供水。

作为太阳反射的突破，在不同的冷却膜上可以观察到亚环境温度下降，使得即使在强烈的太阳照射下也可以实现结露水收集。Yu的团队证明了辐射冷却材料可以在白天和夜间加速空气中的冷凝水，所研制的辐射冷却器即使在强太阳照射下也能达到8℃的亚环境温度下降，在淡水收集方面优于传统冷凝器（如图4A-B）。Zhang等人开发了多孔辐射冷却织物，具有分层结构的纤维素网络，提供了92%的高太阳反射率和7.5℃的低温（如 图4D）。该小组进一步将强吸水材料(LiCl)引入到纤维素织物中，这样即使在干燥环境中也能进一步收集水分(如图4E-F)。这种织物的吸水量高达6.75 kg/(kg day)，材料成本低至3.15-5.86美元/千克。

图4：辐射冷却结露水收集材料与结构设计

(A)对流与辐射冷却结露水收集性能差异示意图(B)金属表面辐射冷却材料结露水收集图像(C)辐射冷却驱动的结露水收集(D)纤维素分子结构用于高效吸附水(E)纤维素吸附膜对水的吸附和释放示意图(F)纤维素吸附膜吸水量与相对湿度和吸附剂含量的关系

（3）基于吸附的水收集

与其他两种AWH方法相比，基于吸附的水收集通常具有复杂的过程，主要包括水蒸气捕获、释放和冷凝收集。物理和化学吸附材料或其复合材料已被广泛用于捕获干燥空气中的水蒸气。常用的物理吸附剂，如沸石和金属有机骨架（MOF），具有高孔隙率、比表面积和吸附能力，可通过簇吸附和毛细管凝聚实现高效的水收集。化学吸附剂，如吸湿盐，可通过水合反应捕获空气中的水分，从而实现更高的吸附能力。复合吸附剂可以结合物理吸附剂和化学吸附剂的优点，实现强力的集水效果。太阳能被广泛用于提供水释放的温差，使吸附集水可以全天候运行，即夜间捕获水蒸气，白天释放水。

强亲水性和多孔结构使其在吸湿盐或MOF辅助下在空气中的水蒸气收集方面具有巨大优势。Yu研究小组开发了掺入LiCl的PAM水凝胶用于从干旱环境中收集水蒸气，显著降低了解吸能耗，PAM-LiCl复合吸附剂在相对湿度为20％时可实现1.1 g/g的高吸水率。（如图5B-C）。

此外，MOF还可作为水凝胶基吸附剂的高效捕水材料。例如，Yilmaz等人设计了MOF掺入PNIPAM水凝胶，利用温度敏感水凝胶的适应性，可同时实现空气中水的吸附和释放（如图5D-E）。开发的MOF-PNIPAM锥体阵列可在不同的相对湿度下实现高效的水吸附和释放，降低阳离子和阴离子的浓度，并为人类持续生产淡水（如图5F-G）。

图5：引入吸湿盐或MOF的水凝胶基吸附剂的材料设计

(A) LiCl和PAM-LiCl水凝胶的水收集过程示意图(B) LiCl和PAM-LiCl水凝胶的水吸附和解吸动力学(C)开发的PAM-LiCl水凝胶的循环稳定性(D) MOF-PNIPAM水凝胶的交联过程示意图(E) MOF-PNIPAM水凝胶的水吸附和解吸示意图(F)用于自主AWH的MOF-PNIPAM锥体阵列示意图(G) MOF-PNIPAM水凝胶的吸水率和左侧离子浓度

2.2.3结合海水淡化与大气集水的混合技术

基于太阳能集水和AWH的混合集水可以最大限度地提高白天和夜间的能源利用率。为了实现全天候高效制水，Guo等人开发了光热和焦耳加热膜，用于白天和夜间供水，该薄膜在1个太阳辐射下可提供1.65 kg/(m2 h)的水蒸发率。将相变材料引入太阳能蒸发膜以储存太阳热量以供夜间水蒸发，来降低为抵消水蒸发潜热的高能耗而额外投资的高成本。Niu等人开发了一种有前景的太阳能驱动界面蒸发器，该蒸发器具有相变微胶囊/水凝胶复合材料，在1个太阳辐射下可提供2.67kg/(m2h)的高蒸发速率，在热释放的情况下，夜间蒸发速率可达0.43 kg/(m2h)，明显高于自然水蒸发。

连续运行的太阳能驱动界面蒸发和雾收集的混合集水在提高效率和节约成本方面具有巨大的应用潜力。例如，Shi等人开发了一种有前景的具有分层3D微结构的水凝胶薄膜（如图6A-B），可实现白天蒸发3.64 kg/(m2 h)和夜间雾收集率50 kg/(m2 h)，这种有前景的水凝胶薄膜每天可产生34 kg/m2的高淡水产量，足够17个人饮用。

此外，Zhou等人提出，具有Janus润湿性的凝胶锻造微针薄膜的白天蒸发率为2.46 kg/(m2h)，夜间雾收集率超高，为30.5 kg/(m2 h)（如图6C-F）。结合两种集水方法的优势，开发的Janus薄膜每天可提供200 kg/m2的淡水供应。

图6：太阳能驱动界面蒸发和雾收集混合集水结构

(A B)太阳能驱动界面蒸发和雾收集混合集水概念示意图(C)具有Janus润湿性的凝胶锻造微针膜示意图(D)凝胶锻造微针膜的雾收集过程(E)金字塔形太阳能驱动界面蒸发装置(F)金字塔形装置在户外实验中的集水情况

小结：为了推进这些技术的商业应用，论文系统地讨论了最近实现全天淡水生产的研究工作。 首先讨论了太阳能驱动的3D蒸发结构，强调了它们在白天和夜间提供大量水生产的巨大潜力。随后讨论了基于三种主要AWH方法以实现全天供水的有前景的材料设计：雾收集、结露水收集和基于吸附的水收集。并且重点列举了太阳能驱动蒸发和雾捕获的混合水收集技术，表明其在提供充足淡水方面具有巨大的潜力。

最后，论文继续探讨全天候淡水供应进一步突破的潜在途径。（1）3D太阳能驱动界面蒸发结构可以实现全天候供水，但夜间水蒸发率略低，仍然对其实际应用造成了一些限制。（2）由于雾含有各种杂质和污染物，与太阳能驱动的淡水收集相比，水处理的额外成本也极大地阻碍了雾收集技术的广泛应用。（3）基于吸附的水收集技术在供水方面具有巨大的应用潜力，特别是在干旱地区。然而，吸附/解吸循环的不匹配和高淡水成本仍然严重阻碍了它们的实际应用。（4）太阳能加热和外层空间冷却推动了基于太阳能驱动的界面蒸发和凝结水收集的高效供水。然而，夜间较差的产水效率限制了其在实际应用中的潜力。此外，中纬度地区冬季湿度低、太阳辐射弱也大大阻碍了人类的淡水供应。辐射冷却驱动的水结冰可能有助于解决这一棘手的问题。

论文信息：Liu Junwei, Yan Jinyue, et al. Advances in full-day and year-round freshwater harvesting: Materials and technologies. Matter, Volume 7, Issue 12, 4161 - 4179

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