@ 2017.04.20 , 19:04

能从空气中提取水的太阳能供电设备

想象在未来,每家每户都有一个太阳能供电的装置,家庭用水全部都可以用这个装置从空气中获得,即使是在干燥或者沙漠气候中。

能从空气中提取水的太阳能供电设备
水分收集器。Credit: MIT / laboratory of Evelyn Wang

这个未来即将到来,因为研究者已经展示了一种水分收割机,即使是在湿度仅为20%的环境中(干旱地区的平均湿度),也能仅使用周围的阳光就从空气中每天提取数升水。

该太阳能水分收割机已被科学杂志报道,是由麻省理工学院利用金属有机骨架(MOF)材料建造而成,并在加州大学伯克利分校生产。(先前有篇光信号编码的文也是用的这个材料)

论文的两位资深作者之一、加州伯克利大学James and Neeltje Tretter化学客座教授、劳伦斯伯克利国家实验室的成员、金属有机骨架开创性研究者奥马尔·亚吉说道:“对于长久起来从低湿度空气中抽取水分的研究,这是一个重大的突破。现在还没有其他方法能做到这一点,除非使用额外的能量。你家里的电子除湿机产生的水十分昂贵。”

该原型机使用了1千克的MOF,能在20%~30%的湿度条件下,12个小时的工作周期内抽取2.8升的水分。麻省理工学院进行的房顶测试证实该设备能在实际环境中良好地工作。

伯克利全球科学研究所创会理事、Kavli能源纳米科学研究所和巴斯夫加州研究联盟的联合主任亚吉说道:“我们对未来的预期是发展自有水系统,可以在自家通过周围的阳光给装置供电,抽取空气中的水分以供家用。对我而言,由于这个实验这将成为可能。我将其称为私人订制水。”

亚吉在20多年前发明了金属有机骨架,将镁、铝等金属与有机分子结合,创造了一种刚性、多孔的结构,十分适用于存储气体和液体。自此,世界上各地研究者创造了2万多种不同的MOF。某些可存储化学品,如氢和甲烷:巴斯夫化学公司正在测试亚吉的一种MOF材料,准备将其用于天然气卡车上,因为通过加压,MOF制作的油箱能储存3倍的甲烷。

其他MOF能够从烟气中捕获二氧化碳,催化炼油厂中的化学品吸附反应或是石化产品分离。

能从空气中提取水的太阳能供电设备
金属有机骨架图解。模型中的线段是有机链,交叉点为多金属单元。奥马尔·亚吉利用新的网状化学将这些基本组成单元缝合到一起,形成水晶海绵。黄色球表示孔隙,可储蓄水分。背景图显示的是水分收集器中用到的多个MOF晶体。
Credit: UC Berkeley and Berkeley Lab

在2014年,亚吉和他的伯克利团队结合锆金属和己二酸合成了一种MOF,能够束缚水蒸气,于是他建议麻省理工学院的机械工程师Evelyn Wang一起利用这种MOF开发水分收集系统。

Wang和她的学生设计的系统由2磅多尘埃大小的MOF晶体构成,将MOF压缩在太阳能吸收器和冷凝板之间,放置于暴露在空气中的腔体中。随着周围的空气扩散通过多孔的MOF,水分子被吸附在内表面。X射线衍射研究表明水蒸气分子通常八个聚成一组,形成立方体。
阳光透过玻璃窗,加热MOF,驱使水分穿过冷凝器,水蒸气凝聚为液态水并滴入收集器中。

Wang说道:“该工作提供了一种从空气中收集水分的新方法,不需要较高的空气湿度,相比其他现存的技术能量利用率更高。”

亚吉称,该水分收集器还有很大的提升空间。现有的MOF只能吸收自重20%的水分,但其他的MOF可以吸收40%以上。针对更高或者更低的湿度,还可改进材料达到更高的效率。

亚吉说:“这并不仅限于说我们只是制造了一个坐在那里被动收集水分的装置,我们还建立了理论和实验基础,在此基础上可以测试其他的MOF,制造更多的MOF找到一种最合适的。该装置还有很大的提升潜力,可以收集更多的水分,只是需要进一步的设计而已。”

亚吉和他的团队正努力改善他们的MOF,同时Wang继续改进收集系统以得到更多的水分。

他说道:“为了保证一直都有水运转,你可以设计一个系统在晚上吸水并在白天变成水蒸气冷凝成水。或者是设计更高效的太阳能收集器,加速装置运转,压入更多空气。我们想证实如果你被困在了沙漠中,你可以因为这个装置得救。一个人每天需要一个可乐罐的水分,而利用本系统就能在不到一个小时内收集到。”

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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