麻省理工学院研究人员设计出窗户大小的装置 利用空气获取安全饮用水

如今，全球有22亿人缺乏安全的饮用水。在美国，超过4600万人面临水资源短缺，他们要么没有自来水，要么饮用水不安全。日益增长的饮用水需求正在使河流、湖泊和水库等传统资源不堪重负。为了改善人们获得安全且价格合理的饮用水的途径，麻省理工学院的工程师们正在利用一种非常规的水源：空气。地球大气层中含有数百万亿加仑的水蒸气。

如果能够有效地捕获和冷凝这些水蒸气，就能为传统水资源匮乏的地区提供清洁的饮用水。为了实现这一目标，麻省理工学院的研究小组开发并测试了一种新型大气水收集器，并证明它能够有效捕获水蒸气，并在包括干燥的沙漠空气在内的各种相对湿度下生产安全的饮用水。

这款新装置是一块窗户大小的黑色垂直面板，由吸水性水凝胶材料制成，封装在一个涂有冷却层的玻璃腔内。水凝胶类似于黑色气泡膜，内部有小型圆顶结构，当吸收水蒸气时会膨胀。当吸收的水蒸气蒸发时，这些圆顶结构会像折纸一样收缩回去。蒸发的水蒸气随后凝结在玻璃上，通过管道向下流出，最终变成干净的饮用水。

麻省理工学院的工程师们在加州死亡谷测试了一台被动式水收集器。这个窗户大小的装置由一种受折纸启发的水凝胶材料（黑色）制成，它可以从空气中吸收水分，然后将其释放到管道中，研究人员可以将这些水分收集起来作为纯净的饮用水。

该系统完全独立运行，无需电源，这与需要电池、太阳能电池板或电网供电的其他设计不同。该团队在北美最干旱的地区——加州死亡谷运行了该装置超过一周。即使在湿度极低的条件下，该装置也能以每天高达160毫升（约三分之二杯）的速度从空气中挤出饮用水。

研究团队估计，即使在干旱的沙漠环境中，多个垂直面板以小型阵列形式安装，也能被动地为家庭提供饮用水。此外，该系统的产水量会随着湿度的增加而增加，从而能够在温带和热带气候条件下提供饮用水。

“我们建造了一个米级装置，希望将其部署到资源匮乏的地区，那里甚至连太阳能电池都不太容易获得，”麻省理工学院机械工程和土木与环境工程系昂卡斯和海伦·惠特克教授赵宣和说道。“这是对这项集水技术规模化可行性的一次测试。现在，人们可以把它建得更大，或者把它做成并联的太阳能电池板，为人们提供饮用水，并产生真正的影响。”

赵教授和他的同事在今日发表于《自然水》杂志的一篇论文中，详细介绍了这种新型集水设计。该研究的主要作者是前麻省理工学院博士后“威尔”·刘昌，他目前是新加坡国立大学（NUS）的助理教授。麻省理工学院的合著者包括闫晓云、李树聪和邓博蕾，以及来自其他多个机构的合作者。

水凝胶是一种柔软的多孔材料，主要由水和相互连接的聚合物纤维微观网络构成。赵教授在麻省理工学院的研究小组主要探索水凝胶在生物医学领域的应用，包括 医疗植入物的粘合涂层、柔软灵活的电极以及非侵入性成像贴纸。

赵说：“通过我们对软材料的研究，我们非常了解的一个特性是水凝胶非常擅长从空气中吸收水分。”

研究人员正在探索多种收集水蒸气用于饮用水的方法。目前最有效的方法之一是利用金属有机骨架（MOF）制成的装置。这种超多孔材料已被证明能够从干燥的沙漠空气中捕获水分。但MOF在吸水时不会膨胀或拉伸，而且其携水能力有限。

该团队的新型水凝胶集水器解决了类似设计中的另一个关键问题。其他团队也设计了采用微孔或纳米孔水凝胶的水收集器。但这些设计产生的水可能含有盐分，需要额外的过滤。盐是一种天然的吸水材料，研究人员将盐（通常是氯化锂）嵌入水凝胶中，以增加材料的吸水率。然而，缺点是，这些盐在最终收集水时可能会随水一起泄漏。

该团队的新设计限制了盐的泄漏。他们在水凝胶中添加了一种额外的成分：甘油，这是一种能够自然稳定盐分的液体化合物，将其保持在凝胶中，而不是结晶并随水泄漏。水凝胶本身具有缺乏纳米级孔隙的微结构，这进一步阻止了盐分从材料中逸出。他们收集的水中盐含量低于安全饮用水的标准阈值，并且远低于许多其他基于水凝胶的设计产生的盐含量。

除了调整水凝胶的成分外，研究人员还改进了其形状。他们没有将凝胶保持为平板状，而是将其塑造成类似气泡膜的小圆顶图案，这样可以增加凝胶的表面积，从而增加其吸收水蒸气的量。

研究人员制作了半平方米的水凝胶，并将其封装在一个类似窗户的玻璃腔中。他们在腔体的外部涂了一层特殊的聚合物薄膜，这有助于冷却玻璃，并刺激水凝胶中的水蒸气蒸发并凝结在玻璃上。他们安装了一个简单的管道系统来收集流经玻璃的水。

2023年11月，研究团队前往加州死亡谷，将该装置安装成一块垂直面板。在七天的时间里，他们测量了水凝胶在夜间（沙漠中水蒸气含量最高的时间）吸收水蒸气的情况。白天，在阳光的帮助下，收集到的水分从水凝胶中蒸发出来，凝结在玻璃上。在此期间，该装置在21%至88%的湿度范围内工作，每天可产出57至161.5毫升饮用水。即使在最干燥的条件下，该装置也能比其他被动式和一些主动式供水设计产出更多的水。

“这只是一个概念验证设计，还有很多地方可以优化，”刘说。“比如，我们可以采用多面板设计。我们正在研发下一代材料，以进一步提升其固有性能。我们设想，未来有一天，你可以部署一排这样的太阳能板，由于它们都是垂直的，占地面积非常小，”赵说，他计划在许多资源匮乏的地区进一步测试这些太阳能板。“这样，你就可以把许多太阳能板连接在一起，在家庭规模上持续收集水。”

这项工作得到了麻省理工学院 J-WAFS 水和食品种子基金、麻省理工学院-香港中文大学合作研究项目以及 UM6P-MIT 合作研究项目的部分支持。