探讨雾气水汽集水的前沿技术趋势

2020-06-05 361 上传者：管理员

摘要：水是生命之源，如何从自然界中索取干净的水源是人类解决生存生活的首要问题。河流水、湖泊水、浅层地下水仅占淡水总储量的0.3%。大量的水以雾气水汽的形态存在于空气中。因此，如果能高效收集空气的雾气水汽，将能为人类提供一个重要的干净水资源。本文综述了目前雾气集水的技术进展，并展望未来此方向的技术发展趋势。

关键词：
水源
水资源
淡水
集水
雾气
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1、世界水资源现状

水是生命之源。如何从自然界中索取干净的水源是人类解决生存生活的首要问题，而大部分近现代文明都孕育于淡水源旁并以淡水源作为命名，例如中国的黄河/长江文明，埃及的尼罗河文明。淡水源主要来自于降雨/雪，冰川融化等汇集成的河，湖泊和地表水。随着中国城镇化进行的深入，城市的规模越来越大，淡水的供应缺口也越来越大，如何持续获得足够的淡水供应成为挑战。在边远地区，地表水匮乏，面临严重的缺水问题。缺水也是贫困的根源之一。

科学家和工程师将目光投向了水的另一种常见形态:雾气。尤其在边远山区，如能有效采集雾气作为淡水的来源，将能将利用山区多雾解决山区缺水问题。雾气由悬浮于空气中的微细水滴(雾滴)组成的。这些微小的雾滴半径只有1000至50微米，因此单个的雾滴肉眼很难看得清，积聚在一起的亿万颗雾滴才能形成被人们看得清的雾状。雾气作为水普遍存在形式之一具备重要的开发价值。在无空气工业污染的条件下，采集下来的雾气成水可以直接进行饮用。

2、雾气集水技术进展

沙漠中长期生存的动植物进化出了收集水分的生物结构。仙人掌经过演化，叶子逐渐退化，变成了针状或刺状，这就从根本上减少了叶面蒸腾。进一步的研究发现仙人掌叶面的刺可作为空气湿气的集水结构，仙人掌上定向排列的锥形小刺结构产生拉普拉斯压力差，能有效地快速集水和向肉掌根部传送收集好的水。沙漠中的布甲虫就是采集水分的佼佼者;它背部的特殊构造可以最大化接触富含水分的空气，配合翅膀上一种超级亲水的纹理和防水凹槽，当水分子达到一定浓度时，就可以形成水珠并滚落它口中。蜘蛛丝利用拉普拉斯压力差来收集雾气集水。

在雾气集水工程应用中，工程师们借鉴了这些自然界的巧妙方法;利用雾气粒子与亲水性网结构的碰撞并凝结于网结构，滴落成水。意大利设计师，阿图洛·维托里(ArturoVittori)在埃塞俄比亚设计搭建了WarkaWater雾气集水水塔:搭建一个花篮形状的塔型建筑，采用竹子或芦苇作为框架材料，利用上面悬挂的织物来收集雾气。这种轻型结构的设计十分简单，只需要村民用当地的农作物材料和他们所掌握的编织技能就能完成。用芦苇搭建的网状结构外壳，可以收集雾气凝结的水珠，然后引流滑入底下的储水容器里。每天可以存储50到100公升的淡水，而且造价只需约500美元，还不需要借助任何机械工具进行安装。右图为在埃塞尔比亚安装的一个WarkaWater水塔的实例图。

目前的工程应用中以水汽在网状凝结物的凝结并滴落汇集成水作为主要的工程应用点，这里称之为被动集水法。但这种方法受限于空气的流动、温度、雾气的浓度等。若想实现雾气集水的持续性和量产性，亟待开发主动性的雾气集水技术。实际应用中有利用空气压缩机或者半导体制冷等方法，将雾气冷凝聚集来集水。此方法耗能大，在实用性上受限于能耗和便携性。2018年，MIT的Varanasi等人创造性的提出了利用超高压电场电离雾气粒子周围的空气，并使得雾气粒子带电，在电场的作用下，带电的雾气粒子向接地的铁网迁移，放电并吸附在铁网上实现了凝结。这种方法有很高效的凝结效率，耗电量低。从而真正实现了雾气集水的主动化。这个方法需要利用极高的电压(>5千伏特)。高压电晕放电还会产生臭氧等有害物质。以此这个方法的实用性和安全性上需要一个更安全的改进方法。金属有机骨架材料(MOF)，这种材料把有机分子和金属原子连接在一起，形成具有非常大表面积的多孔洞的材料。巨大的表面积赋予了MOF材料高效的吸附能力;据报道，一千克新型MOF材料每12个小时可以从湿度为20%的空气中吸取2.8升的水。利用MOF可以设计制备出夜间吸收水汽，白天利用太阳光照热量将吸附的水分子释放出来，从而实现从空气中循环获取水资源。

立于埃塞俄比亚某村的WarkaWater蓄水塔，能从空气中雾气集水的蓄水塔，实际例子图。

3、结语

目前雾气集水法分两种。第一种为利用网状或者亲水表面来凝聚雾气粒子的被动收集法;第二种方法为主动式雾气水汽凝聚，包括了低温表面凝聚，高压放电收集，金属有机框架吸附材料。被动凝聚收集受限于收集效率，天气等条件;而主动收集法受限于能耗，便携性等问题。因此未来的技术发展需要朝着综合这两种方法的优点的方向出发。

谢琼丹,职鸣奕.雾气水汽集水技术进展综述[J].科技风,2020(16):1.

基金:三亚市院地科技合作基金(2019YD13)资助.