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在麻省理工學(xué)院的屋頂上測(cè)試了一種新型的兩級(jí)集水系統(tǒng)(下圖右)。該設(shè)備連接到一臺(tái)筆記本電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并朝向太陽(yáng)，頂部有一塊黑色的太陽(yáng)能收集板，由此產(chǎn)生的水流入底部的兩根管子。

麻省理工學(xué)院工程師們使他們的最初設(shè)計(jì)更加實(shí)用、高效和可擴(kuò)展。

麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員已經(jīng)顯著提高了一個(gè)系統(tǒng)的產(chǎn)量，這個(gè)系統(tǒng)可以利用太陽(yáng)或其他來(lái)源的熱量直接從空氣中提取飲用水，即使在干旱地區(qū)也是如此。

該系統(tǒng)建立在麻省理工學(xué)院同一團(tuán)隊(duì)的成員三年前最初開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，使該過(guò)程更接近于為缺水和電力有限的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供實(shí)用的水源。這些發(fā)現(xiàn)今天(2020年10月14日)發(fā)表在《Joule》雜志上，由麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系主任Evelyn Wang教授發(fā)表的一篇論文中描述。研究生阿麗娜·拉普丁;還有六名來(lái)自麻省理工學(xué)院，韓國(guó)和猶他州。

早期的設(shè)備證明了小王和她的同事們提供了一個(gè)概念驗(yàn)證的系統(tǒng),就是利用設(shè)備內(nèi)的溫差讓一種吸附劑材料——收集液體表面畫(huà)在空氣中的水分第二天晚上和釋放它。當(dāng)材料被陽(yáng)光加熱時(shí)，被加熱的頂部和被遮蔽的底部之間的溫差使得水從吸附劑材料中釋放出來(lái)。然后水在收集板上凝結(jié)。

但這個(gè)裝置需要使用一種叫做金屬有機(jī)框架(MOFs)的特殊材料，這種材料價(jià)格昂貴且供應(yīng)有限，而且該系統(tǒng)的水輸出量不足以滿足實(shí)際系統(tǒng)的需要。研究人員說(shuō)，現(xiàn)在，通過(guò)采用第二階段的解吸和冷凝，并使用現(xiàn)成的吸附劑材料，該設(shè)備的產(chǎn)量已經(jīng)顯著提高，其可擴(kuò)展性也得到了極大的提高。

Wang說(shuō)團(tuán)隊(duì)覺(jué)得“有一個(gè)小的原型很好，但是我們?cè)鯓硬拍馨阉兂梢粋€(gè)更可擴(kuò)展的形式呢?”“設(shè)計(jì)和材料方面的新進(jìn)展現(xiàn)在已經(jīng)導(dǎo)致了這一方向的進(jìn)展。

新的設(shè)計(jì)使用一種叫做沸石的吸附劑材料，而不是MOFs，在這種情況下，沸石是由微孔鐵鋁磷酸酯組成。這種材料可廣泛使用，穩(wěn)定性好，而且具有合適的吸附劑性能，僅根據(jù)典型的晝夜溫度波動(dòng)和陽(yáng)光加熱就能提供高效的產(chǎn)水系統(tǒng)。

拉普丁開(kāi)發(fā)的兩階段設(shè)計(jì)巧妙地利用了水在變化階段時(shí)產(chǎn)生的熱量。盒子狀系統(tǒng)頂部的太陽(yáng)能吸收板收集太陽(yáng)的熱量，加熱沸石，釋放出該材料在夜間捕獲的水分。蒸汽在集熱器上凝結(jié)——這個(gè)過(guò)程也會(huì)釋放熱量。收集板是一塊銅片，直接在上面，并與第二沸石層接觸，在那里冷凝熱被用來(lái)釋放蒸汽從下一層。從每一層收集到的水滴可以匯集到一個(gè)收集槽中。

在這個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)的整體生產(chǎn)力，就其每天每平方米太陽(yáng)能收集面積(LMD)的潛在升來(lái)說(shuō)，大約比早期版本翻了一番，盡管確切的比率取決于當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓⑻?yáng)通量和濕度水平。王說(shuō)，在大流行限制之前，新系統(tǒng)的最初原型在麻省理工學(xué)院的屋頂上進(jìn)行了測(cè)試，該設(shè)備的出水速度比早期版本高出“數(shù)量級(jí)”。

王說(shuō)，雖然類似的兩階段系統(tǒng)已經(jīng)被用于其他應(yīng)用，如海水淡化，但“我認(rèn)為還沒(méi)有人真正追求這種方法”，將這種技術(shù)用于大氣水收集(AWH)。

現(xiàn)有的AWH方法包括霧收集和露水收集，但都有明顯的局限性。霧收獲僅適用于相對(duì)濕度100%,目前只在少數(shù)沿海沙漠,當(dāng)露水收集需要能源密集型制冷提供冷表面的水分凝結(jié),仍然需要至少50%的濕度,這取決于環(huán)境溫度。

相比之下，新系統(tǒng)可以在濕度低至20%的情況下工作，除了陽(yáng)光或其他可用的低等級(jí)熱源外，不需要任何能源輸入。

拉普丁說(shuō)，關(guān)鍵是這個(gè)兩階段的架構(gòu);現(xiàn)在，它的有效性已經(jīng)被證明，人們可以尋找更好的吸附劑材料，可以進(jìn)一步提高生產(chǎn)率。她說(shuō)，目前每平方米每天約0.8升水的產(chǎn)量在某些應(yīng)用中可能足夠，但如果通過(guò)進(jìn)一步的微調(diào)和材料選擇可以提高這一產(chǎn)量，這可能會(huì)成為大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。王說(shuō)，已經(jīng)有一種材料正在開(kāi)發(fā)中，這種材料的吸附力比這種特殊的沸石大5倍，并可能導(dǎo)致相應(yīng)的水產(chǎn)量增加。

該小組繼續(xù)改進(jìn)該設(shè)備的材料和設(shè)計(jì)，并使其適應(yīng)特定應(yīng)用，例如用于軍事野戰(zhàn)的便攜式版本。這種兩級(jí)系統(tǒng)也可以適用于其他類型的集水方法，這些方法每天使用多個(gè)熱循環(huán)，由不同的熱源提供熱量，而不是陽(yáng)光，因此可以產(chǎn)生更高的日產(chǎn)出。