MOF：從干燥空氣中捕捉水分

大氣淡水含量豐富

目前，人類能夠直接利用的淡水取自地下水、湖泊淡水和河床水。干凈的飲用水是人類最基本的必需品，然而現在卻變得越來越稀缺。

美國期刊《科學進展》去年刊登的一份新研究報告稱，全球超過40億人每年有至少一個月面臨水資源嚴重短缺問題，受波及的人數占世界總人口三分之二，表明全球水資源短缺情況比原先估計更為嚴重。此前多個研究報告預測，全球受水源短缺影響的人口介于17億至31億。隨著人口不斷增長與用水量上升，缺水危機勢必會進一步惡化。研究報告還提到，約有5億人口的耗水量是他們居住地區全年降雨量的兩倍，意味地下水水位急劇下降，大量人口的生存變得岌岌可危。這項按月進行的新研究對人類居住地周圍約50公里以內的水資源進行分析，涵蓋1996年至2005的10年數據，凡是用水量為補充水源的兩倍以上即定義為水資源嚴重短缺。

面對日趨嚴重的水資源短缺，為了解決淡水供應問題，人類提出了跨區域調水和海水淡化等方法。但是無論從遠處調水，還是淡化海水，成本都比較高，難以廣泛使用，科學家轉而尋找其他獲取淡水的辦法。事實上，大氣中水的含量約有13000萬億升，總量是世界上所有江河水量的6倍多。其中大約2%作為降雨落到地面，剩余的98%依然處于水蒸氣的狀態。如果能夠有效地加以利用，將會為解決水資源提供有效的解決方案。

人們無法從一塊石頭中擠出水來，但是從干燥的空氣中“擰”出水來卻是可能的。智利北部的阿塔卡馬沙漠被認為是世界上最干旱的沙漠，那里的很多氣象站從來沒有過降雨記錄。不過當地的氣象研究員找到了一種簡單實用的方法來獲取水資源，用若干張大網來收集霧水。霧水在網上凝結成水珠，積少成多，收集到的水用于飲用和灌溉，讓在沙漠中發展農業成為可能。智利一所高校的水源研究中心認為，如果能夠擴大這種霧水收集裝置的規模，那么就有可能在更大程度上改變沙漠干旱的環境，有助扭轉當地沙漠化的現象。專家說，這種收集水的方法雖然簡單，但是非常可行。他們還做了實驗，證明收集霧水能將沙漠變成大規模的農田和花園。

以一個名叫查尼亞拉爾的村莊為例，當地居民用幾十張特制黑色大網集水的場面蔚為壯觀，形成了一道獨特的風景。這種大網用聚丙烯網片制成，每張面積36平方米（12米×3米），用兩根桿子支撐起來豎在沙漠里，收集水珠非常管用。雖然這里常常連續幾年沒有降雨，但是寒冷的近海氣流會定期從太平洋上大量涌來。大網通過獲取氣流的水分后變得十分潮濕，水珠會附著在網上，慢慢集聚成一股股細細的水流，沿著特制的管道流到儲存用的水箱中。一張大網一天能收集150升非常純凈的水，可供人放心飲用，也能用于農業灌溉。村子里的居民已經在沙漠里大面積種植蘆薈，靠大網收集起來的霧水灌溉。而在此之前，這座村子的用水都是從數百公里遠的安第斯山脈通過管道或用拉水的大卡車運送來的。

收集霧水用的大網由加拿大的非營利性組織“探霧”（FogQuest）制造，該組織實地考察后發現當地的大霧每立方米約含0.05～0.5克的水，具有收集利用的價值，平均每天可以提供12000升水。這種做法被當地居民廣為接受，南美洲太平洋沿岸的秘魯、厄瓜多爾和危地馬拉等國家很多社區已經建造了捕霧大網，用來給新栽的樹木供水。這種系統建立起來后，樹木就可以通過葉子為自己收集霧氣，在沙漠中重新創造以霧為基礎的生態系統。

新技術低能高效

收集空氣中的水分，這是一個老生常談的話題，很多研究學者圍繞這一課題做了大量的工作。傳統的空氣取水技術主要分為兩種，一種是通過空氣冷卻器來實現。在濕空氣與表面溫度較低的冷卻器接觸的過程中，當溫度低于空氣露點溫度時，空氣中的水蒸氣就會凝結，從而在冷卻器表面產生一層水膜。另一種則是用吸濕性強的固體或液體干燥劑吸收空氣中的水分，再加熱解吸，凝結水蒸氣得到淡水。

但現有的研究結果顯示，若想從空氣中收集水分，需要較大的空氣濕度，通常都是在霧氣中收集，而且還要消耗大量的能量。蒸汽濕度表示濕蒸汽中液態水分的重量占蒸氣總重量的百分比，在一定的溫度下一定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥。水汽越多，則空氣越潮濕。其中相對濕度指空氣中水汽壓與相同溫度下飽和水汽壓的百分比，或濕空氣的絕對濕度與相同溫度下可能達到的最大絕對濕度之比，也可指濕空氣中水蒸氣分壓力與相同溫度下水的飽和壓力之比。絕對濕度表示，在標準狀態下每立方米濕空氣中所含水蒸氣的質量，即水蒸氣密度。

從理論上來說，利用吸收少許能量（如太陽光）就能完成空氣中水分吸收和傳遞的材料，制成水吸收器件將是不錯的選擇。然而迄今為止仍然未開發出一條有效的能夠在較低濕度條件下（20%以下）捕獲并輸送空氣中的水資源的方案。怎樣才能低能耗地從相對干燥的空氣（相對濕度20%或更低）中捕獲水分，仍然是個有待攻克的技術難題。最近傳來的好消息說，美國科學家開發出了一種新技術，根本不需要接入電網，僅憑靠太陽就能從沙漠中抽取出水分。他們希望，用這種現代化設備為地球上最干旱、最貧困的地區帶來純凈的飲用水。

新設備主要利用了一種有機分子與金屬原子互相連接而構成的多孔復合材料MOF，可以通過無數個小孔吸取大量的水分。MOF由麻省理工學院（MIT）團隊在加州大學伯克利分校（UCB）奧馬爾·亞吉教授的實驗室內研發完成。它是目前化學領域里發展最快的材料種類，已經創造出兩萬多種。小孔的化學屬性和大小可以根據情況改變，捕捉特定種類的分子讓它們通過。巨大的表面積提升了MOF材料高效的吸附能力，比如MOF-177的內表面積大約是每克5640平方米，相當于一個7140平方米的標準足球場地，巨大的表面積讓它能和大量的分子結合。

奧馬爾教授是MOF的開創者和開拓者，早在20年前就開發出了主要用于儲存氫氣的MOF材料。2014年，他和UCB團隊利用鋯和己二酸合成了一種可以用來吸附水的MOF材料。隨后與MIT設備研究實驗室負責人伊弗林·王以合作，利用這種新型MOF材料來開發一種水收集系統。根據分工，奧馬爾UCB團隊研究提升MOF材料的吸水性能，伊弗林則主攻收集系統。

實際上，奧馬爾和伊弗林這套高效率的MOF水收集設備的工作流程并不復雜。晚上氣溫下降的時候，塑料匣子打開。空氣通過多孔的MOF材料后，水分子就會被吸附在MOF表面上。到了白天，塑料匣子密閉，太陽光照的熱量足以讓MOF材料釋放出水分子，轉化為蒸汽脫離小孔，進入旁邊相連的丙烯酸外殼中。底部的冷凝器會收集水滴，純凈水會通過漏斗流入容器中。隨著溫度逐漸升高，形成的水滴也越來越大。

特別值得一提的是，整個過程僅需要低密度的能量，正是這一新型MOF材料的突破之一。奧馬爾和伊弗林合作團隊將原型機放在20%濕度的空氣環境和模擬的陽光條件下進行試驗，也在戶外屋頂進行了測試，證實了這種集水方式的可行性。在撒哈拉沙漠，平均濕度大約是25%。南美智利北部的阿塔卡馬沙漠是地球上最干燥的地方，平均濕度僅17%。從理論上說，這套新型設備可以讓人在水資源奇缺的沙漠中生存下來。

奧馬爾和伊弗林2017年4月14日在《科學》雜志上發表論文，介紹合作團隊在MOF用于水收集領域的成果。他們設計的介孔MOF-801，在接受每平方米1千瓦特強度的太陽光照射下，可以從潮濕空氣中捕獲水。當相對濕度為20%時，每公斤MOF可實現在沒有外界能量供應時，每天收集2.8升水的效果。

以前的水收集技術只能在多云或是高濕度環境中使用，而MOF整個水收集過程無需太陽能板、電池或是其他外加能量。團隊還打算繼續改良該技術，鋯的價格每公斤150美元（大約合1013人民幣元），使得設備成本太高而無法廣泛使用。合作團隊已經在用鋁替代鋯的設計中獲得初步成功。鋁的價格是鋯的1%，大大降低了未來水收集設備的成本。伊弗林表示，德國化工巨頭BASF已將這種材料投入大大量生產，價格也在下降，很快就能開發出實用性產品。

這種新科技真的能為全球最干旱的地區帶來希望嗎？奧馬爾提出，如果在設備上添加太陽板或是其他能量源，水的產生量就能加大，今后可以應用在工業或是農業領域，但最有可能的方向是讓這些設備成為地球最貧困地區的日常家庭設備，讓干旱地區人民擺脫缺水之苦。“我們的愿景是提供一種可以不用電力只利用太陽能就可以滿足一個家庭的水收集設備，實驗證明MOF水收集系統原理上可行。雖然MOF在水收集領域的應用最近剛剛出現，但成果顯著。”奧馬爾指出，“水是生命之源，在水資源污染和匱乏的當下，MOF水收集系統為人們緩解淡水緊缺的難題提供了值得借鑒的解決方案，未來依然有很大的提升空間。”