大自然探索

来自空气的水

作者:曾高远 来源:大自然探索 202006期 时间:2020-08-01

戴着护目镜的三个人正专注地盯着一个透明塑料盒。盒子里逐渐充满水雾,盒壁上开始形成小水珠。小水珠慢慢变大,终于滴落到盒子下方的一个鱼缸状容器底部,汇集成一个小水滩。奥...

  戴着护目镜的三个人正专注地盯着一个透明塑料盒。盒子里逐渐充满水雾,盒壁上开始形成小水珠。小水珠慢慢变大,终于滴落到盒子下方的一个鱼缸状容器底部,汇集成一个小水滩。奥马尔·亚吉咧开嘴笑了,开始与同事们相互祝贺。

  看似平常的这一幕发生在美国加州大学伯克利分校。这一刻有可能作为科学家扭转缺水局势的转折点而被载入史册。“看到析出的这些小水珠是我生命中最神奇的经历之一。这意味着我们可以在没有水的地方取到水了。”亚吉说。

神奇的分子模型

  上面这一幕已是几年前的事。现在的亚吉已超越了水滴和小水滩实验阶段,走出实验室开始了扩大实验。在最近的实验中,他甚至从像沙漠一样干燥的空气中析出了大量的水。秘密是什么?是使用了一种基于他20年前研究过的化学反应产物——一种特殊的合成晶体。

  这项技术的潜在价值非常巨大。据联合国调查数据预测,到2025年,生活在水资源匮乏和绝对缺水地区的人数将从2014年的12亿增加到18亿。随着全球气温升高和人口增长,即使是那些有资金、有水源并有水循环和海水淡化技术的地方,遭受大旱的风险也在增加。例如,去年南非开普敦勉强避开了“零日”(水流量低到居民只能获得仅够生存的供应量)。

  亚吉深知缺水的苦恼。亚吉是1965年出生在约旦的巴勒斯坦人,是家中十个孩子中的第六个。亚吉和兄弟姐妹连同家里的牛,住在一所没有电的房子里。每周管道输送水的时间只有几个小时。亚吉有时不得不在黎明时起床打开阀门,以确保他们的水箱能装上水。水是那样珍贵,以至于对每一滴水的使用他们都必须精打细算。

  亚吉的父亲把作为结婚礼物送给妻子的黄金珠宝卖掉了,用这笔资金开了一家肉店。肉店的收入可以让亚吉在一所私立学校上学。在学校里,亚吉对化学的热爱在10岁时被激发。上学期间,一次午餐时间他偷偷溜进了本应关闭的图书馆。在一本书中,他看到了陌生的由棍子连接着大小不同小球的模型图,后来他知道那是分子模型。他感觉自己看到的模型可以解释他周围的一切,感觉自己发现了某种隐藏的真相。身处自己本不该在的地方,使得他的这种感觉更加强烈。他说:“就像遇见了一个秘密的爱人。”

  在亚吉15岁时,虽然他英语不好,也不想离开家乡,但他的父亲还是让他和哥哥一起去了美国。亚吉来到纽约,成了一个中学生。他表现出色,后来成为亚利桑那州立大学的化学教授助理。在那里,他开始寻找新方法将那些小球和棒子连接起来。制造出以前未知的物质。那时他还未曾想到,有一天它们可以帮助人们解渴。

  小球和棒子连接起来的分子模型让亚吉非常着迷。

化学家创造的新材料

  20世紀90年代初,化学家已经在制造以碳为基础的有机化合物方面取得重大进展。但在利用元素周期表中的其他元素合成无机化合物方面,化学家对实验产品的控制方法很有限。通常都是在烧瓶里混合化学物质,看看发生了什么变化。这样的技术常被批评家描述为“摇动并烘烤”“混合并等待”以及“加热并拍打”。

  很多学者在试图改进这种研究方法。澳大利亚墨尔本大学的化学家理查德·罗布森就是其中一位。从1989年起。罗布森为世界发明了设计和制造配位聚合物的新方法。配位聚合物是由原子或离子(通常是金属)组成的扩展阵列,这些原子或离子由被称为配体的长分子结合在一起。通过改变金属类型,罗布森可以控制与之结合的配体数量。例如,一种结合了两个配体的金属可产生一种链状聚合物,而结合六个配体的金属则可形成立方晶格。

  不久,化学家创造出了一系列新材料,其中每一种都具有不同的结构和性质。因为新材料可保持有序的结晶形式,所以很容易研究。唯一问题是罗布森的聚合物容易与其他物质发生反应,因而不稳定,还不能立即投入使用。

超级海绵

  20世纪90年代中期,亚吉和他的团队开始制造某类配位聚合物。这类聚合物是由带负电荷的配体连接一簇而非单个的金属原子结合而成的。这类材料被称为“金属有机骨架化合物(MOF)”,这种化合物的键比以前的配位聚合物更强,因而具有更强的稳定性。

  虽然这个领域的技术并非由亚吉单独研究,其他科学家也参与了关于金属有机骨架化合物的早期工作,但全世界的化学家都注意到了亚吉在1999年公布的成功合成了一种锌基聚合物MOF-5的消息。这种材料可在高达300℃的温度下保持稳定,而更不可思议的是,这种材料的空隙使其内部表面积达到每克2900平方米,几乎相当于半个足球场。气体分子会在这种材料内表面积聚并形成薄膜。由于MOF-5的高比表面积,一个装有这种材料的容器在同样压力下比一个空容器容纳的气体还多。

  这种超级海绵般的吸附性能使这种材料有了广泛用途,比如储存由发电机或汽油动力车产生的二氧化碳。在过去20年里,至少有2万种不同的MOF材料被制造出来。

  但MOF材料的潜力是慢慢显现出来的。预见到市场对绿色燃料的需求会增长。德国化工巨头巴斯夫在亚吉的帮助下开发了一种新型汽车。这种汽车的天然气储罐使用了金属有机骨架化合物。按计划,这种新车应当于2015年推出。但由于当时汽油价格暴跌,新车经济可行性受到影响,计划最后被搁置。

  MOF材料结构模型

  MOF材料开始商业应用是在2016年。它首先被用于制造储存电子工业中有毒气体的气瓶和释放抑制气体阻止乙烯生效的香囊。乙烯是水果和蔬菜释放的催熟激素,抑制它生效可起到保鲜效果。但金属有机骨架化合物更广泛的应用还有待开发。

  最终可能改变这一现状的是:MOF材料不仅是好的海绵,还是非常有选择性的海绵。它内部的气孔具有特定尺寸和形状,使其非常适合吸附某些适合这些气孔的气体,而排斥那些不适合的气体。早在2013年,亚吉在研究如何用MOF将二氧化碳与水分离时注意到,其即使在低湿度环境下也可以快速吸收水蒸气,并可以在加热后释放水蒸气。他马上就想到:哇,这个可以在沙漠里用!

  当亚吉继续研究20种不同的MOF材料吸水性能时,他发现基于锆的MOF-801的性能特别好。它内部的气孔大小和形状都很完美,特别适合让水进出。亚吉后来与麻省理工学院的工程师一起开发了一个集水器原型机。这台集水器只有手掌大小,由一片铜片和封装它的塑料盒组成。铜片上有被压入的MOF-801晶体。

魔术盒(集水盒)示意图

  在夜间,水蒸气从冷空气中被吸入塑料盒内的金属有机骨架化合物(MOF)中。

  在日间,盒子被封闭起来。阳光带来的热量会促使水分逃逸,然后凝结在盒壁上,并滴下去汇集在底部。

梦想成真

  需要收集水时,只需在夜间把这个盒子打开,让MOF把空气中的水吸入气孔。早上再关上盒盖,让太阳光加热MOF材料和被吸附在里面的水,以促使水释放出来,并凝结在盒壁上(见示意图)。正是在这个装置中,亚吉通过他的护目镜看到了那些不可思议的水滴。2017年,亚吉团队研究发现,这种装置可从相对湿度为20%的空气中收集水分,而这样的湿度与许多沙漠的空气湿度情况相似。他们又制造了一个更大的装置。在实验室里,每千克MOF材料每天可收集140毫升水。

  所有這些都证明了这项技术的有效性。但它真的能缓解日益严峻的水资源短缺吗?还有其他从空气中提取水的方法,比如简单的冷凝:寒冷表面会冷却它周围的空气,迫使水蒸气形成水滴。但这个方法耗电量很大,就像是一台开着门的冰箱。即便如此,一些公司已开始销售这种设备。

  亚吉发明的设备还有另一个问题。它们是以锆为基础的。这种金属能耐腐蚀和高温,但价格昂贵,大约每千克150美元。可想而知,用这样的MOF材料制成的设备生产的每一杯水都将是昂贵的。

  亚吉最近成立了一家集水公司。他知道,要帮助那些面临缺水威胁的人用上家用集水器,必须考虑成本问题。为此,他一直在测试MOF-303。这种材料以铝为基础,而铝是一种便宜得多的金属,用其生产出的集水器成本会大大降低。他在2018年报告说,使用这种材料制成的集水器,每天每千克MOF-303可收集230毫升水。如果把太阳能电池板连接到这个装置上,在24小时内用电能加热和冷却多次,而不是仅靠昼夜温差变化,集水量可超过2升。

  这些改进是否能让亚吉的梦想变成现实?一些专家认为,亚吉离破解难题已经不远。在几乎没有水的地方,能从空气中取水是非常了不起的。虽然扩大规模应用可能将面临挑战,但这并不是难以逾越的障碍。如果扩大规模成功实现,那么将使许许多多面临缺水威胁的人获得清洁水。

冷凝站

  托吉亚村坐落在危地马拉的库库马塔内斯山脉。在该村两侧有35张网高挂空中,其中最大的网面积相当于两个停车位。在这里,每张网每天能为村民提供多达200升淡水。每天早晨,当雾在高地上翻滚时,水珠会被网格捕捉,然后滑落,逐渐滴入水箱中。

  加拿大一机构早在20年前就开始尝试用捕雾网为那些与世隔绝又缺水的老社区提供水源。研究发现,这种技术即使在雾较少的地方也可行。有科学家相信,雾的收集很快就将在更广泛的区域成为可能。

  捕雾网的设计很重要。网眼太大,雾会从中穿过。网眼太细,水滴会停在网线上,不能顺利滑下网。科学家优化了捕雾网设计。他们的灵感来自美国加州的红杉树。这种红杉树能从沿海的雾气中收集大量水分。这些雾气会凝结在针状树叶上,然后滴落到地面。科学家模仿红杉树针叶平行排列的捕雾器设计,放弃了传统网的横向交叉纤维,将网设计成类似竖琴的模样。一张安装在美国弗吉尼亚州农场上的这种网的集水效率是传统网的3倍。

  即使在内陆地区,这样的产水量也能使捕雾产生实用价值。实际上有很多地区至少会有晨雾,而这样的“竖琴”网可建造得更巨大以提高效率。即使在没有雾的地方,空气中也有水蒸气。只要使用合适的工具,水蒸气就能被变成液态水。美国一家水公司承诺:将使用被称为“水面板”的大型太阳能发电冷凝器来实现这一目标。即使在干旱条件下,两台冷凝器每天也能从空气中吸取10升左右的水。

  现在这项技术面临的问题是高能耗。收集1升水的耗能可以泡40杯茶。但这项技术不需要建设将水从一个地方输送到另一个地方的基础设施。新技术集水系统也很容易扩展:要获得更多水,只需添加更多“水面板”。

  如果愿意,你甚至可以把同事们出汗散发出来的水蒸气都利用起来。2018年年底,一家公司推出了英国第一台办公室冷水机,它可以直接从空气中冷凝水。该公司计划出售一个足够大的冷凝器,用它为一个小镇服务。

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