水是生命之源,尋找新的水資源將成為嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)問題??茖W(xué)研究揭示,全球大氣中含有約12.9萬立方千米的水,相當(dāng)于世界上所有江河水量的6倍多。大氣中,約有98%的水分始終保持蒸氣狀態(tài),其余2%會(huì)作為雨或雪在地面和空中往復(fù)。大自然通過蒸發(fā)和凝聚循環(huán),保持了這個(gè)比例相對(duì)穩(wěn)定。可見,空氣中蘊(yùn)藏著巨大的淡水資源,只要有空氣的地方,就有水源。如果能從空氣這個(gè)取之不盡、用之不竭的天然水“水庫”中取得源源不斷的水,將打破地域的局限性,帶來取水方式的巨大變革。
對(duì)沿海內(nèi)陸地區(qū)來說,從空氣中取水是錦上添花;對(duì)干旱沙漠地區(qū)來說,更是雪中送炭。從空氣中制取水,就地取材是其最大優(yōu)勢,幾乎全球所有的地方都可以利用空氣中的水分。即使在最干旱的環(huán)境中,在不影響當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境的前提下,也能從空氣中制取足夠的水。比如撒哈拉沙漠地區(qū),在正常氣壓下,那里每立方米的空氣中含有8克水,這相當(dāng)于在一個(gè)普通房間大小的空間內(nèi)約有1斤水。而且,這種水資源取之不盡,完全能滿足人們對(duì)飲用水的需求。
要從空氣中擰出水來,科學(xué)家想出了不少方法。比如,仿生法取水。這種方法主要是模仿沙漠中仙人掌和豬籠草等生物的生存絕技,模擬其獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu),從干旱的空氣中收集水分。仙人掌內(nèi)部復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)輸水效率高,豬籠草體內(nèi)涂滿黏液的光滑表面可以減少水滴在運(yùn)輸過程中的損耗。通過理論模型優(yōu)化,將仙人掌刺的不對(duì)稱、豬籠草幾乎無摩擦涂層等特點(diǎn)結(jié)合起來,可以設(shè)計(jì)出效果不錯(cuò)的仿生材料,并通過3D打印技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。這種方法面臨的主要挑戰(zhàn)是,如何控制水滴大小、形成速度及其流向。為有效提高仿生材料富集水的效率,可以在材料粗糙的表面涂上一層潤滑劑,讓仿生材料表面的摩擦力近乎為零,有利于讓水滴在材料中有方向地流動(dòng),從而加速空氣中水汽的凝結(jié)速度。
機(jī)電法收集空氣中的水分已算不上是新發(fā)明,商用和家用空氣制水機(jī)已經(jīng)存在??諝庵扑畽C(jī)原理類似于抽濕機(jī),吸入的是潮濕空氣,排出的是干凈的水。普通的電壓縮——擴(kuò)張制冷機(jī)工作原理模擬大自然的降雨現(xiàn)象,利用電制冷技術(shù)將空氣冷卻,水汽冷凝并集聚成水,再對(duì)收集起來的水利用逆滲透凈水技術(shù),通過多層級(jí)過濾、殺菌消毒生產(chǎn)出潔凈的飲用水。因此,要從空氣中提取水,必須先收集空氣,這一過程實(shí)際上就是對(duì)水進(jìn)行富集??諝庵扑畽C(jī)的制水能力主要取決于空氣環(huán)境濕度的大小,濕度越大,制水越容易。
空氣制水看似簡單,實(shí)則技術(shù)要求特別高。現(xiàn)有空氣制水的機(jī)器具有很大的局限性:能耗太高,成本太大。而改進(jìn)型空氣制水機(jī)是先將水汽與空氣分離,再讓水汽進(jìn)入冷凝器。這類制水機(jī)的核心部分是一個(gè)水分吸收系統(tǒng),利用干燥劑先將水汽與空氣分離,干燥劑吸收的水汽可以利用低品位熱能或太陽能將其釋放出來,然后由普通的制冷系統(tǒng)將其冷凝成水。這種類型的制水機(jī)比普通制水機(jī)可節(jié)能約65%。
從空氣中取水不僅能為干旱缺水地區(qū)的人們帶來福音,還可應(yīng)用于軍事后勤保障、醫(yī)療衛(wèi)生等。目前,影響空氣制水技術(shù)進(jìn)入市場的最大問題是成本:空氣制出每1立方米水,約花費(fèi)67元,而海水淡化每1立方米水,成本約為5元,差距很明顯。隨著技術(shù)的進(jìn)步,如果空氣制水成本能降低到比淡化海水或處理污水低,那么,這種方法將會(huì)具有廣闊前景。
總之,從空氣中制取水實(shí)用性強(qiáng)、前景廣闊,關(guān)鍵要加快技術(shù)創(chuàng)新,找到更廉價(jià)、更高效的吸濕或仿生材料。
(本文來源:經(jīng)濟(jì)日報(bào) 作者:陳慶修)