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空气取水新技术

已有 10525 次阅读 2014-6-16 10:45 |个人分类:自然科学|系统分类:论文交流

淡水属于有限资源,将会成为制约人类经济发展的重要因素,科学家一直尝试从海水中获得淡水的技术,但获得淡水最关键的问题是需要能源,成为制约这类技术广泛使用的问题,因此科学家也一直试图希望用最经济的方法获得淡水。

大气中水资源十分丰富,也一直是人们希望开采的资源,不过过去的许多从空气中提取水的技术都需要消耗能源的问题,因此如何克服能量消耗的问题成为关键。最近有科学家利用碳纳米管技术解决了这一问题,有望成为人类从空气中获取水的有效方法,另外随着工业化的发展,空气污染也成为许多工业化国家发展的重要障碍,中国近年来的雾霾已经给我们留下深刻印象,雾霾形成的一个关键因素是空气中的水分,如果利用这种技术,大幅度减少空气中的水含量,一方面能大量获得淡水,另一方面可以减少雾霾的产生,或者成为一举两得的理想方法。

这种新装置是一种吸水膜,由数十亿根微小碳管组成,能从空气中吸取水分,即使在地球上最干燥的地方,这种装置仍能发挥从空气中采集水的作用。这种技术是受到纳米布沙漠甲虫翅膀的启发,纳米布沙漠甲虫翅膀能帮助这种甲虫在干旱沙漠空气中获得足够水分维持生命。

为了从空气中吸收水分,这种纳米布沙漠甲虫坚硬的翅膀上进化出一种亲水分子和一种疏水分子,这些分子形成一种高低不平的小毛刺。通过调整身体方向,纳米布沙漠甲虫能利用这种材料从清晨雾气中采集水分,形成小水滴并汇集起来饮用,在田野中大家会注意到早晨的植物叶片上会出现露珠,这种甲虫就是饮用自己翅膀上的露珠。

科学家正是受到这种甲虫的启发,开发出两种多分子层材料,其中一种分子分布在表面具有亲水特性,在下层是一种分子具有疏水特性,用一种碳纳米管将这些分子连接起来。表层的亲水分子能吸附空气中的水,水分子通过纳米管的毛细管效应扩散到疏水部位,虽然会因为蒸发失去一些水分子,但剩余的仍能被疏水材料排斥汇集成水滴,整个过程依靠水分子扩散,不需要任何外来能源就可以采集空气中的水分。该技术已经在线发表在ACS Applied Materials & Interfaces

这种装置类似海棉一样从空气中采集并释放水分,当水分被转移后,这些材料可以继续工作,好象是微型空气水泵不断从空气中采集水分。

这些纳米丛林采集水的效率主要决定于空气湿度,这些科学家发现,8毫克材料组成的0.25平方米顶部吸水表面,在干燥环境中11小时内能采集2毫升水,在潮湿环境中13小时能采集6.4毫升水。理论上讲,一个1公斤材料组成的装置,每天能采集200-600毫升水,几乎够一个人维持生命。这种材料在一些极端干旱地区的应用潜力十分巨大,当然在航海过程中更有应用价值。当然目前最重要的问题是如何降低这些材料的造价,以进行大规模生产。许多科学家对这一技术十分赞赏,但也有学者提出,虽然这个思路十分有意思,但碳纳米材料或者不是最理想的选择,应该尝试更多类似材料。



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