為農業(yè)設施提供新型水源，科學家打造空氣水收集系統(tǒng)，提供分布式的可再生水源

2024 年 4 月 23 日，沙特阿拉伯（下稱“沙特”）阿卜杜拉國王科技大學甘巧強教授和團隊，在沙特圖瓦海濱小鎮(zhèn)開展了一場戶外實驗。

實驗中，他們監(jiān)測了冷凝面積為 30×30 cm2 的大氣水收集原型設備。當實驗進行到 30 分鐘時，其觀察到潤滑表面由于重力作用，迅速形成并脫落了毫米大小的水滴。

“這個令人興奮的時刻標志著我們的系統(tǒng)在自然大氣條件下的被動水收集效果得到了驗證，也是本次研究所取得的重要突破，未來將有助于應對水資源短缺問題。”甘巧強表示。

圖 | 甘巧強和團隊：(左) 張瑋泓（Dan Daniel）、（中）甘巧強、（右）Shakeel Ahmad（來源：甘巧強）

具體來說，他和課題組開發(fā)出一種具有垂直輻射制冷表面的空氣水收集系統(tǒng)。

其中，垂直輻射冷卻膜通過銀鏡向冷空發(fā)射紅外波，以降低其自身溫度。

在銀鏡的另一側，課題組通過使用潤滑劑來實現(xiàn)更好的水滴生成和收集，最終能夠實現(xiàn)高效的室內外露水冷凝和收集。

這一方案旨在解決傳統(tǒng)向天冷凝器的低效問題，通過將局部冷卻功率密度加倍，來簡化水的冷凝過程和收集過程。

即便是垂直表面，在水珠太小的時候也不會滑落，因為這主要是由水滴和界面的表面張力決定的。

而如果希望空氣中的水汽不斷地在垂直表面冷凝，則需要將之前形成的水珠盡快去除，以便形成一個快速、連續(xù)不斷的“水流”通道。

同時，課題組選擇液體浸潤的光滑表面來加速水滴的收集。

對于提高大氣水收集的效率來說，垂直排列的收集表面至關重要，因此本次方法能夠為大氣水收集系統(tǒng)提供一種有效方法。

同時，通過本次系統(tǒng)還能提供一個完全無需耗電的空氣取水裝置，尤其適合熱帶和亞熱帶等空氣濕度較大的地區(qū)。

（來源：Advanced Materials）

在應用前景上：

一方面，它可以提供額外的淡水來源，在遭遇自然災害時期可以充當急救工具。

另一方面，它還能為居家園藝和農業(yè)設施提供新型水源，以用于補充植物灌溉所需的淡水，尤其適合在海島、海岸等淡水資源缺乏但是空氣水資源充分的地區(qū)發(fā)展新型農業(yè)。

目前，甘巧強課題組正在和農業(yè)科學家、以及工業(yè)界合作者（比如阿美石油和未來城市 NEOM）一起推動空氣取水技術在沙漠地帶的應用，以便驗證該技術在不同環(huán)境條件下的可行性和推廣的渠道。

此前論文曾被 Nature 予以亮點報道

淡水資源緊缺，是人類面臨的全球性挑戰(zhàn)，特別是沙特地區(qū)淡水資源尤其缺乏。

沙特也是全世界利用反向滲透膜技術產生淡水需求最大的國家，在這個過程中會耗費巨大的電力，同時產生相應的環(huán)境污染。

因此，尋求新的淡水資源是甘巧強課題組的研究重點之一。在自然環(huán)境中，不僅江河湖泊等傳統(tǒng)水源中存在淡水，空氣中也擁有無處不在的淡水。

并且，空氣中的含水量大約是人類已知液態(tài)淡水的 6 倍。但是，氣態(tài)水通常只在晨昏時分自然冷凝成人類常見的露水，因此很少能被實現(xiàn)穩(wěn)定的大規(guī)模應用。

近年來，空氣取水這一手段廣受關注，研究人員開發(fā)了各種微納結構、材料和系統(tǒng)，旨在從空氣中盡可能多地提取出液態(tài)水來供應人類的日常消耗。

特別需要指出的是，取水的難易程度很大程度上取決于當?shù)丨h(huán)境的濕度，也就是空氣中的絕對含水量。

甘巧強團隊所在的阿卜杜拉國王科技大學位于中東地區(qū)的紅海之濱，夏季陽光明媚且濕度很高，因此天然具有充足的空氣水資源。

近年來，他和團隊一直致力于針對區(qū)域性需求開發(fā)永續(xù)型清潔能源和制冷技術，并在輻射制冷上取得了一些進展。

輻射制冷，通常是將水平放置的物體表面的熱輻射釋放到外太空（又稱“天空制冷”），從而實現(xiàn)不耗電的降溫效果，目前已經成為各國科學家競相研究的熱點。

這一技術在常年高溫的中東地區(qū)十分具備應用前景。2021 年，甘巧強課題組和美國威斯康星大學喻宗夫教授合作，在 PNAS 發(fā)表論文并首次展示了利用天空制冷加速濕潤空氣中的水蒸氣的冷凝 [1]。

同年，雙方又在 Cell?Reports Physical Science 發(fā)表論文，借此展示了一個將熱輻射表面垂直放置的制冷系統(tǒng)，并展示了將制冷功率密度加倍的方案 [2]，同時該論文還得到了 Nature 的亮點報道 [3]。

將熱輻射表面垂直放置的制冷系統(tǒng)具有兩個突出優(yōu)點：

首先，它可以在白天環(huán)境下率先達到冷凝條件，而無需等到晨昏時分。

其次，一旦收集到空氣中的水滴，在重力作用之下，垂直表面比水平表面更加有利于水滴滑落，從而能夠提高液態(tài)水的收集效率。

基于此，甘巧強團隊結合前兩個工作，開發(fā)了本次空氣水收集系統(tǒng)。

（來源：Advanced Materials）

廉價簡易的大氣水收集系統(tǒng)

一直以來，輻射冷卻都被認為是實現(xiàn)大氣水收集的一個“潛力股”技術。

該技術能將材料的熱輻射發(fā)射到天空，進而使材料表面冷卻至露點以下，從而在無需外部能量輸入的情況下就能實現(xiàn)水分冷凝。

這種不耗電的冷卻方法，特別適用于炎熱干燥的地區(qū)，并能為大氣水收集提供新的方向。

如前所述，該團隊曾研發(fā)出一種雙面熱輻射的垂直冷卻系統(tǒng)，這一系統(tǒng)使用了獨特的 V 形結構，并結合了光譜選擇性反射鏡和中央垂直****。

然而，由于****被密封在聚乙烯膜之中，因此無法實現(xiàn)大氣水冷凝。

盡管冷卻效果顯著，但此前并未實現(xiàn)戶外的空氣水冷凝。后來，甘巧強課題組開發(fā)出一種垂直架構，并將冷凝器暴露于大氣空氣中以實現(xiàn)水氣冷凝。

為了模擬自然輻射冷卻，他們使用液氮作為冷源。初步實驗表明，水蒸氣可以在設備的冷凝側凝結。

然而，他們又發(fā)現(xiàn)這樣一個問題：即便是垂直表面，冷凝的水滴依然很容易粘附在表面上不往下滑，導致液滴的收集效率低下。

于是，在阿卜杜拉國王科技大學潤滑表面專家張瑋泓（Dan Daniel）教授的幫助之下，他們進一步引入由聚二甲基硅氧烷彈性體與硅油混合形成的潤滑表面。

通過這種表面處理的方法，水滴能夠輕松滑落，并能夠利用重力進行水收集，從而可以顯著提高系統(tǒng)的集水效率。

與此同時，技術的可擴展性和成本效益，也是該團隊的主要考量因素。為此，他們選擇聚二甲基硅氧烷、硅油和鋁等經濟且高效的商用材料。

“這一選擇對于在資源有限的偏遠地區(qū)實現(xiàn)系統(tǒng)的可行性至關重要?！备是蓮姳硎尽?/span>

（來源：Advanced Materials）

在實驗室取得良好效果之后，他們又開展了文章開頭的現(xiàn)場測試。即在室外環(huán)境中部署一個冷凝面積為 30×30cm2 的原型裝置，以評估其在自然大氣條件下的性能。

在測試環(huán)境溫度 23℃-30℃ 之間、對濕度為 70%-85% 的戶外條件下，其所設計的原型設備成功實現(xiàn)了水滴凝結和水滴收集，證明其在現(xiàn)實條件之下具有可行性。

通過此，他們開發(fā)出一種廉價簡易的大氣水收集系統(tǒng)，實現(xiàn)了一種高效可持續(xù)的水資源解決方案。

總的來說，這款系統(tǒng)能夠提供分布式的可再生水源，對于解決基礎設施缺乏的貧困地區(qū)的水資源問題尤為重要，有助于緩解氣候變化和水資源枯竭帶來的影響。

日前，相關論文以《用于輻射冷卻和大氣集水的垂直雙面結構的潤滑表面》（Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting）為題發(fā)在 Advanced Materials[4]。

沙基爾·艾哈邁德（Shakeel Ahmad）是第一作者，張瑋泓（Dan Daniel）和甘巧強擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）

后續(xù)，他們將推動該技術的實際應用。其中一個關鍵目標是擴大現(xiàn)有原型的規(guī)模，通過開發(fā)更大的系統(tǒng)，來將本次技術部署在水資源有限的干旱地區(qū)和偏遠地區(qū)。

為此，他們需要進一步測試和優(yōu)化系統(tǒng)性能，以確保其在不同環(huán)境條件下均能實現(xiàn)穩(wěn)定高效的工作。

此外，課題組還計劃優(yōu)化材料、探索新的涂層和表面處理，以便提高水冷凝率和被動收集效率。