原標(biāo)題：怎樣才能從空氣中“榨”出水，并且零耗能？
 圖片來源：YouTube 想象一下如果你掉進(jìn)大海里，周圍都是海水，你卻一口也不能喝；如果你迷失在沙漠中，也會遇到同樣的情形，干渴無比，周圍的水卻解不了你的燃眉之急——即使在最干旱的地方，空氣中也滿滿都是水分子——可你卻無法利用。
收集霧，榨出水
現(xiàn)有的設(shè)備是能將空氣中的水蒸氣轉(zhuǎn)變成液態(tài)水，但是這些設(shè)備體積龐大，十分耗能。6 月 8 日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上的兩項(xiàng)研究，各提出了一種從空氣中“榨出”水的妙計(jì)，一種零能耗，另一種能耗也很少。這些技術(shù)不能徹底解決全人類的用水問題，但是在氣候變化造成嚴(yán)重破壞的情況下，對增加干旱地區(qū)的供水大有裨益。
第一種技術(shù)沒有提出新概念，而是從現(xiàn)有的概念改進(jìn)而來：收集霧。霧由無數(shù)微小的水滴組成。將這些水滴收集起來，積少成多，你就能得到一杯水。這種技術(shù)在智利已有先例，人們用細(xì)網(wǎng)收集霧中的水滴，然后將其導(dǎo)入管道內(nèi)以作飲用之需，甚至還能用來做啤酒。
聽上去很棒對吧，但還不夠完美。論文作者之一，麻省理工學(xué)院（MIT）的機(jī)械工程師克利帕·瓦拉納西（Kripa Varanasi）評價道：“這種被動式霧收集器的效率極低，僅有 1%~2%，”當(dāng)含有霧氣的風(fēng)穿過收集網(wǎng)時，大部分都會從網(wǎng)的空隙之間流走，所以收集足夠的水要花上很長時間。那就把網(wǎng)再做密一點(diǎn)呢？還是不行，這樣風(fēng)就會直接繞過收集網(wǎng)了。
真正實(shí)用的，是收集網(wǎng)能夠主動吸引水滴。為了達(dá)到這個目標(biāo)，瓦拉納西想到了電場。在實(shí)驗(yàn)室里，他將霧氣通過能產(chǎn)生帶電空氣原子的離子發(fā)射器。瓦拉納西描述道：“在離子運(yùn)動的過程中，它們會被水滴捕獲，使水滴帶電�！�
這些帶電水滴很容易被收集網(wǎng)吸引。請看下面的小視頻：一開始霧氣正常流動。一旦打開了離子發(fā)射器，霧氣就全部流向了收集網(wǎng)。收集效果非常好，那些一開始原本會穿過收集網(wǎng)的水滴又會通過U型運(yùn)動折回到收集網(wǎng)中，效率高達(dá) 99% 。收集到的霧氣變成液態(tài)水，滴入下面的玻璃杯中。
這項(xiàng)技術(shù)有點(diǎn)酷對不對？從理論上講，任何一個有清潔霧源的地區(qū)都可以裝一套這種由細(xì)網(wǎng)和離子發(fā)射器組成的裝置。離子發(fā)射器需要高壓供電，但產(chǎn)生的電流很小。實(shí)驗(yàn)室中，每平方米細(xì)網(wǎng)能耗為 60W。與之相比，在印度等缺水地區(qū)應(yīng)用的另一種技術(shù)——像冰箱一樣將水蒸氣冷凝下來的“水蒸氣冷凝器”能耗就大很多了。
電離固然有效，但也不是隨便有點(diǎn)霧的地方都能用上這項(xiàng)技術(shù)。你得準(zhǔn)備一套系統(tǒng)，還得知道什么時候打開開關(guān)。研究水蒸氣冷凝技術(shù)的化學(xué)工程師格雷格·彼得斯（Greg Peters）說：“要想把實(shí)驗(yàn)成果轉(zhuǎn)化為一個可行的供水系統(tǒng)，你必須得知道什么時候是有霧的。如果它就那么放在山頂上，天天被雷擊，那錢就白花了�！�
這項(xiàng)技術(shù)甚至可以應(yīng)用到發(fā)電廠，尤其是噴出水汽的冷卻塔中。冷卻需要用到大量的水，比如美國將 39% 的淡水用于發(fā)電廠。發(fā)電廠一年的用水量可供 10 萬人使用。瓦拉納西說：“我們可以收集產(chǎn)生的水蒸氣”，而其他技術(shù)就無法做到這點(diǎn)。
蓄水的“電池”
但如果想用收集霧的方法得到液態(tài)水，首先得有霧，這樣沙漠地區(qū)就不符合條件了。所以有了第二種新技術(shù)。加州大學(xué)伯克利分校的研究者研制出了一種“水電池”：晚上收集，白天產(chǎn)水。
水電池基于一種金屬-有機(jī)框架結(jié)構(gòu)：金屬鋯和有機(jī)碳原子結(jié)合成粉末，形成一種多孔的框架結(jié)構(gòu)。這有點(diǎn)像一只吸水的“海綿”。
論文作者之一，化學(xué)家尤金·卡普斯�。‥ugene Kapustin）解釋道：“如果你把它暴露在潮濕的空氣中，框架材料會吸收水分子直至飽和，由于水分子能粘附在框架的內(nèi)壁上，只要加熱粉末，我們就能得到液態(tài)水。”
研究者將這種金屬-有機(jī)材料撒在盒子頂部，然后把放有材料的盒子放在另一個有蓋的透明盒子中。晚上的空氣相對潮濕，他們將盒子打開，讓空氣進(jìn)來。卡普斯汀說道：“白天我們把外層的盒蓋打開，把材料暴露在陽光下就行�！边@樣材料被加熱，里面的水就會蒸發(fā)并沿盒壁凝結(jié)。5 個小時之后，外面的盒子底部就能收集到液態(tài)水。
當(dāng)然，水電池現(xiàn)在生產(chǎn)水的量還比較少：每2磅（0.91 kg）金屬-有機(jī)材料能產(chǎn)生7盎司（0.2 L）水。研究者還在研究一種新型鋁基材料，以求成本更低、效率翻倍。找個大盒子多放點(diǎn)粉末，你就能收集到更多的水。
水電池能承受至少 150 次循環(huán)而不產(chǎn)生性能退化�？ㄆ账雇≌f道：“我們分析了收集到的液態(tài)水的純度，沒有檢測到任何從水電池上脫落下來的有機(jī)或無機(jī)部分，所以材料很穩(wěn)定，裝置的性能也不會隨使用次數(shù)增多而退化�！�
此外，這個系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于它不需要來自人類的主動供能——使用的能量完全來自于太陽。它在野外也能發(fā)揮作用——在美國亞利桑那州（Arizona）的試驗(yàn)中，盡管白天的濕度降到了 8%，研究者也能用這個裝置收集到液態(tài)水。
當(dāng)然，類似的技術(shù)并不能解決全世界的用水難題。但是卻能在缺水地區(qū)實(shí)現(xiàn)水資源的多樣化，這是一條很重要的原則——只靠水管輸送遠(yuǎn)方的降雨，你簡直在自找麻煩。雖然目前類似金屬-有機(jī)框架、收集電離霧這樣的技術(shù)并不是哪里都適用，但終有一天，他們會阻止人類走上資源耗盡的窮途末路。 |
