联合国2030可持续发展目标(SDG 6)要求为所有人提供安全管理的饮用水和卫生设施。然而,截至2024年,全球仍有约21亿人缺乏安全饮用水,按当前进度,2030年覆盖率仅能达到77%,需要至少八倍速的加速进展。
传统集中式水处理和输配系统依赖地表水和地下水,这些水源在时空分布上不均,且日益受到人类活动和人口增长的污染,限制了向分散和欠发达社区的服务延伸。大气水分作为一种变革性途径,提供了随时可获取的替代水源,其储量是全球河流总量的六倍以上。
大气水收集(AWH)技术可在需要地点直接提供清洁水,无需长距离输配基础设施。其中,基于吸附的方法具有在宽相对湿度范围内工作的优势。然而,现有技术面临三大瓶颈:吸附剂与器件空间架构缺乏协同设计,导致传质受限;
这些限制阻碍了AWH从实验室走向野外实际应用,特别是在满足野外便携(Field-portable)、太阳能驱动(Solar-powered)和升量级规模(Litre-scale)三重标准方面存在巨大挑战。
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近日,德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华在Nature Water发表了题为"Field-portable, solar-powered, litre-scale atmospheric water harvesting across climates with gel fabric architecture"的研究论文。
到2030年实现联合国可持续发展目标中的“人人享有安全饮水”,仍然面临巨大挑战。过去十年,全球安全管理饮用水覆盖率虽然从68%提升到74%,但仍有约21亿人无法获得安全饮水;按照当前速度,到2030年也只能达到约77%。传统供水体系高度依赖地表水和地下水,还需要大型净化设施、管网输送和稳定能源,这对于偏远、分散、基础设施薄弱的地区并不友好。空气中其实蕴藏着一个持续更新的“隐形水库”,其含水量甚至超过全球河流总量的六倍以上。问题在于,如何把空气取水真正做成可携带、只靠太阳驱动、并且每天能产升级水的实用系统。
该论文报道了一种野外便携、太阳能驱动、升/天级产量的大气水收集系统(FSL-AWH)。通过跨尺度的材料–系统一体化设计,将分级多孔纤维素凝胶织物组装成通道化卷芯,并集成太阳能聚热模块和流动导向冷凝器,同时采用湿度自适应的多批次操作协议,解决了便携性与生产力之间的矛盾。在德克萨斯州奥斯汀(相对湿度约62%)实地测试中,双模块日产水1.3升,面积产水率4.7 L m⁻² d⁻¹;在新墨西哥州奇瓦瓦沙漠(相对湿度约26%)同样达到4.3 L m⁻² d⁻¹。即使在0.4倍太阳强度的阴天,每模块仍可产水310毫升。全球地理分析表明,高产水区与水压力热点高度重合。该模块化平台可在不同气候条件下稳定提供升级饮用水,为去中心化供水及实现联合国可持续发展目标6提供了实用路径。
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