霧氣水汽集水技術(shù)進(jìn)展綜述

謝瓊丹 職鳴奕

摘 要：水是生命之源，如何從自然界中索取干凈的水源是人類解決生存生活的首要問題。河流水、湖泊水、淺層地下水僅占淡水總儲(chǔ)量的0.3%。大量的水以霧氣水汽的形態(tài)存在于空氣中。因此，如果能高效收集空氣的霧氣水汽，將能為人類提供一個(gè)重要的干凈水資源。本文綜述了目前霧氣集水的技術(shù)進(jìn)展，并展望未來此方向的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：霧氣;淡水;集水

1 世界水資源現(xiàn)狀

水是生命之源。如何從自然界中索取干凈的水源是人類解決生存生活的首要問題，而大部分近現(xiàn)代文明都孕育于淡水源旁并以淡水源作為命名，例如中國(guó)的黃河/長(zhǎng)江文明，埃及的尼羅河文明。淡水源主要來自于降雨/雪，冰川融化等匯集成的河，湖泊和地表水。隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)行的深入，城市的規(guī)模越來越大，淡水的供應(yīng)缺口也越來越大，如何持續(xù)獲得足夠的淡水供應(yīng)成為挑戰(zhàn)。在邊遠(yuǎn)地區(qū)，地表水匱乏，面臨嚴(yán)重的缺水問題。缺水也是貧困的根源之一。

科學(xué)家和工程師將目光投向了水的另一種常見形態(tài)：霧氣。尤其在邊遠(yuǎn)山區(qū)，如能有效采集霧氣作為淡水的來源，將能將利用山區(qū)多霧解決山區(qū)缺水問題。霧氣由懸浮于空氣中的微細(xì)水滴（霧滴）組成的。這些微小的霧滴半徑只有1000至50微米，因此單個(gè)的霧滴肉眼很難看得清，積聚在一起的億萬顆霧滴才能形成被人們看得清的霧狀。霧氣作為水普遍存在形式之一具備重要的開發(fā)價(jià)值。在無空氣工業(yè)污染的條件下，采集下來的霧氣成水可以直接進(jìn)行飲用。

2 霧氣集水技術(shù)進(jìn)展

沙漠中長(zhǎng)期生存的動(dòng)植物進(jìn)化出了收集水分的生物結(jié)構(gòu)。仙人掌經(jīng)過演化，葉子逐漸退化，變成了針狀或刺狀，這就從根本上減少了葉面蒸騰。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)仙人掌葉面的刺可作為空氣濕氣的集水結(jié)構(gòu)，仙人掌上定向排列的錐形小刺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉普拉斯壓力差，能有效地快速集水和向肉掌根部傳送收集好的水。沙漠中的布甲蟲就是采集水分的佼佼者;它背部的特殊構(gòu)造可以最大化接觸富含水分的空氣，配合翅膀上一種超級(jí)親水的紋理和防水凹槽，當(dāng)水分子達(dá)到一定濃度時(shí)，就可以形成水珠并滾落它口中。蜘蛛絲利用拉普拉斯壓力差來收集霧氣集水。

在霧氣集水工程應(yīng)用中，工程師們借鑒了這些自然界的巧妙方法;利用霧氣粒子與親水性網(wǎng)結(jié)構(gòu)的碰撞并凝結(jié)于網(wǎng)結(jié)構(gòu)，滴落成水。意大利設(shè)計(jì)師，阿圖洛·維托里（Arturo Vittori）在埃塞俄比亞設(shè)計(jì)搭建了WarkaWater霧氣集水水塔：搭建一個(gè)花籃形狀的塔型建筑，采用竹子或蘆葦作為框架材料，利用上面懸掛的織物來收集霧氣。這種輕型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)單，只需要村民用當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作物材料和他們所掌握的編織技能就能完成。用蘆葦搭建的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)外殼，可以收集霧氣凝結(jié)的水珠，然后引流滑入底下的儲(chǔ)水容器里。每天可以存儲(chǔ)50到100公升的淡水，而且造價(jià)只需約500美元，還不需要借助任何機(jī)械工具進(jìn)行安裝。右圖為在埃塞爾比亞安裝的一個(gè)WarkaWater水塔的實(shí)例圖。

目前的工程應(yīng)用中以水汽在網(wǎng)狀凝結(jié)物的凝結(jié)并滴落匯集成水作為主要的工程應(yīng)用點(diǎn)，這里稱之為被動(dòng)集水法。但這種方法受限于空氣的流動(dòng)、溫度、霧氣的濃度等。若想實(shí)現(xiàn)霧氣集水的持續(xù)性和量產(chǎn)性，亟待開發(fā)主動(dòng)性的霧氣集水技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用中有利用空氣壓縮機(jī)或者半導(dǎo)體制冷等方法，將霧氣冷凝聚集來集水。此方法耗能大，在實(shí)用性上受限于能耗和便攜性。2018年，MIT的Varanasi等人創(chuàng)造性的提出了利用超高壓電場(chǎng)電離霧氣粒子周圍的空氣，并使得霧氣粒子帶電，在電場(chǎng)的作用下，帶電的霧氣粒子向接地的鐵網(wǎng)遷移，放電并吸附在鐵網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)了凝結(jié)。這種方法有很高效的凝結(jié)效率，耗電量低。從而真正實(shí)現(xiàn)了霧氣集水的主動(dòng)化。這個(gè)方法需要利用極高的電壓（>5千伏特）。高壓電暈放電還會(huì)產(chǎn)生臭氧等有害物質(zhì)。以此這個(gè)方法的實(shí)用性和安全性上需要一個(gè)更安全的改進(jìn)方法。金屬有機(jī)骨架材料（MOF），這種材料把有機(jī)分子和金屬原子連接在一起，形成具有非常大表面積的多孔洞的材料。巨大的表面積賦予了MOF材料高效的吸附能力;據(jù)報(bào)道，一千克新型MOF材料每12個(gè)小時(shí)可以從濕度為20%的空氣中吸取2.8升的水。利用MOF可以設(shè)計(jì)制備出夜間吸收水汽，白天利用太陽光照熱量將吸附的水分子釋放出來，從而實(shí)現(xiàn)從空氣中循環(huán)獲取水資源。

立于埃塞俄比亞某村的WarkaWater蓄水塔，能從空氣中霧氣集水的蓄水塔，實(shí)際例子圖。圖片來源www.warkawater.org

3 結(jié)語

目前霧氣集水法分兩種。第一種為利用網(wǎng)狀或者親水表面來凝聚霧氣粒子的被動(dòng)收集法;第二種方法為主動(dòng)式霧氣水汽凝聚，包括了低溫表面凝聚，高壓放電收集，金屬有機(jī)框架吸附材料。被動(dòng)凝聚收集受限于收集效率，天氣等條件;而主動(dòng)收集法受限于能耗，便攜性等問題。因此未來的技術(shù)發(fā)展需要朝著綜合這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)的方向出發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Yaodong Tu，Ruzhu Wang，Yannan Zhang，Jiayun.WangProgress and Expectation of Atmospheric Water Harvesting，Joule 2018，2，1452-1475.

基金項(xiàng)目：三亞市院地科技合作基金（2019YD13）資助

作者簡(jiǎn)介：謝瓊丹（1980-），男，海南三亞人，博士，研究方向：環(huán)保、新材料、防彈織物等;職鳴奕（1999-），男，三亞學(xué)院信智學(xué)院本科生。