美國研發新型集水器 可從空氣中「抓取」飲用水

美國一所大學在「大氣水份收集技術」（AWH）方面取得進展，可以更有效地從空氣中收集水份，有望改善缺水。

雖然大氣水份收集技術有望成為緩解全球水資源匱乏的解決方案之一，不過過去多數的AWH技術相關設備會因體型巨大、吸附劑的材質或系統循環效率的影響，導致造水能力十分有限。

這項技術的吸水能力大多與吸附劑呈現正相關，因此吸附劑的吸水和吐水能力就成為研究重點。科學家利用有機金屬骨架（MOF）的吸收量大和易於再生的特性，將其製作成大氣水份收集技術的主要吸附劑。

另外，為了讓AWH機器連續吸水和吐水，就需要外在的能源來推動反應。過去，科學家想到用電網或太陽能光伏（PV）面板的電力作為設備加熱的能源，但這些東西依賴電化學儲存才能實現夜間和連續運作。

這次，美國猶他大學（University of Utah）研究人員推出首個通過燃油驅動的大氣收集水機器（CRCF）。它不僅體積小巧緊湊，且能通過燃油加熱讓機器快速循環和收集空氣中的水份。這項研究結果於7月22日發表在《細胞報告物理科學》雜誌上。

這款CRCF裏面由吸附劑熱交換器（AHX）、熱量輸送系統、蒸汽傳輸和冷凝系統組成。它的循環方式分為「吸水」、「吐水」兩個階段。

該種CRCF上的AHX外型是一個長接近20厘米的立方體，裏面由多個多孔銅泡沫鰭片平行排列組成，鰭片裏面布滿一種名為「富馬酸鋁」的吸附劑，它是一種市售常見的MOF材料，可以在相對濕度（Rh）20% 到30% 之間大量抓住水氣，以達到吸水的效果。

這些鰭片中間通過數根銅管串連，而銅管連接著外圍一個用來加熱的小型銅座。它加熱時可以通過銅管將熱量傳導到鰭片上，讓鰭片裏面的水氣釋放出來，之後再通過小型送風機將水氣輸送到下方一個小的冷凝裝置上，形成飲用水並儲存到一個小型水箱上供人使用。

為了測試這款CRCF原型機的性能，科學家們在美國猶他州鹽湖城附近進行實驗。當地濕度變化大（20% 到 80%）、溫度不穩定（3℃ 至 20℃ ）。實驗時間長達25小時，且過程經歷5個連續吸水和吐水循環，成功採集到431.2 克的水氣，並製造出266.12 克的飲用水。

實驗人員表示，每個循環使用120 克煤油燃料，每個循環約1.5 小時，且平均有64.3% 的捕獲水氣被冷凝成飲用水。

雖然這次測驗的水冷凝過程效率不夠理想，但讓研究團隊能夠更好知道原型機的問題。他們優化了CRCF原型機的AHX 的設計，例如提高鰭片的厚度和排列密度，並且在不同溫度和濕度下進行測試。結果顯示，它在溫度25 ° C和濕度 40% 的環境下，每公斤MOF 材料能產出3.19 公斤的冷凝水。

研究團隊表示，這次研究成果使CRCF 系統放大變得相對簡單，未來可以根據實際需求改變 AHX裏面的鰭片厚度和密度，就能產出更多的飲用水供人使用，不過這還是會受到環境溫度和濕度的影響。

實驗人員表明，目前原型機已實現每公斤吸附劑材料每天生產5公升水的目標，且該裝置只要通過陸軍的露營爐加熱即可用來吸水。

團隊正朝一個家庭每天消耗15到20公升的飲用水來考慮，原因在於，他們設計該系統時發現，水資源問題不僅是一個國防問題，有很大程度上也是民用問題。

這項研究的資深作者、猶他大學機械工程助理教授薩米爾•拉奧（Sameer Rao）對該校的新聞室表示，「這種原型機依賴於吸附材料，它會從非潮濕的空氣中吸收水分子，然後施加熱量將這些分子釋放成液體形式。」

他解釋，「我們使用特定的 MOF，讓它變成專門吸收空氣中的水蒸氣的材料，且這種吸濕的整個過程具有可逆性，因此水氣不會融入材料之中。另外，這些吸收性材料具有巨大的內表面積，可以從空氣中暫時鎖住大量水份。」

該研究的資金來自DEVCOM士兵中心，並由美國國防部營運，旨在促進支持美國陸軍裝備現代化，讓陸軍在水源匱乏的偏遠地區作戰時，可以通過小型且緊湊的製水裝置獲得水源，不需要再拿著裝滿水的水壺到處走動。

這項研究的主要作者研究生內森•奧爾蒂斯（Nathan Ortiz）說，選擇燃油作為加熱方式，「是因為太陽能電池板只能在白天運行，而電池既笨重又佔空間」。實驗人員相信，他們的設備是第一個使用汽油等燃料製造出水源的設備。

目前實驗團隊已根據該技術申請了初步專利，該項技術未來也可以滿足非軍事上的需求。◇

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