霧氣水汽集水技術進展綜述

謝瓊丹 職鳴奕

摘 要：水是生命之源，如何從自然界中索取干凈的水源是人類解決生存生活的首要問題。河流水、湖泊水、淺層地下水僅占淡水總儲量的0.3%。大量的水以霧氣水汽的形態存在于空氣中。因此，如果能高效收集空氣的霧氣水汽，將能為人類提供一個重要的干凈水資源。本文綜述了目前霧氣集水的技術進展，并展望未來此方向的技術發展趨勢。

關鍵詞：霧氣;淡水;集水

1 世界水資源現狀

水是生命之源。如何從自然界中索取干凈的水源是人類解決生存生活的首要問題，而大部分近現代文明都孕育于淡水源旁并以淡水源作為命名，例如中國的黃河/長江文明，埃及的尼羅河文明。淡水源主要來自于降雨/雪，冰川融化等匯集成的河，湖泊和地表水。隨著中國城鎮化進行的深入，城市的規模越來越大，淡水的供應缺口也越來越大，如何持續獲得足夠的淡水供應成為挑戰。在邊遠地區，地表水匱乏，面臨嚴重的缺水問題。缺水也是貧困的根源之一。

科學家和工程師將目光投向了水的另一種常見形態：霧氣。尤其在邊遠山區，如能有效采集霧氣作為淡水的來源，將能將利用山區多霧解決山區缺水問題。霧氣由懸浮于空氣中的微細水滴（霧滴）組成的。這些微小的霧滴半徑只有1000至50微米，因此單個的霧滴肉眼很難看得清，積聚在一起的億萬顆霧滴才能形成被人們看得清的霧狀。霧氣作為水普遍存在形式之一具備重要的開發價值。在無空氣工業污染的條件下，采集下來的霧氣成水可以直接進行飲用。

2 霧氣集水技術進展

沙漠中長期生存的動植物進化出了收集水分的生物結構。仙人掌經過演化，葉子逐漸退化，變成了針狀或刺狀，這就從根本上減少了葉面蒸騰。進一步的研究發現仙人掌葉面的刺可作為空氣濕氣的集水結構，仙人掌上定向排列的錐形小刺結構產生拉普拉斯壓力差，能有效地快速集水和向肉掌根部傳送收集好的水。沙漠中的布甲蟲就是采集水分的佼佼者;它背部的特殊構造可以最大化接觸富含水分的空氣，配合翅膀上一種超級親水的紋理和防水凹槽，當水分子達到一定濃度時，就可以形成水珠并滾落它口中。蜘蛛絲利用拉普拉斯壓力差來收集霧氣集水。

在霧氣集水工程應用中，工程師們借鑒了這些自然界的巧妙方法;利用霧氣粒子與親水性網結構的碰撞并凝結于網結構，滴落成水。意大利設計師，阿圖洛·維托里（Arturo Vittori）在埃塞俄比亞設計搭建了WarkaWater霧氣集水水塔：搭建一個花籃形狀的塔型建筑，采用竹子或蘆葦作為框架材料，利用上面懸掛的織物來收集霧氣。這種輕型結構的設計十分簡單，只需要村民用當地的農作物材料和他們所掌握的編織技能就能完成。用蘆葦搭建的網狀結構外殼，可以收集霧氣凝結的水珠，然后引流滑入底下的儲水容器里。每天可以存儲50到100公升的淡水，而且造價只需約500美元，還不需要借助任何機械工具進行安裝。右圖為在埃塞爾比亞安裝的一個WarkaWater水塔的實例圖。

目前的工程應用中以水汽在網狀凝結物的凝結并滴落匯集成水作為主要的工程應用點，這里稱之為被動集水法。但這種方法受限于空氣的流動、溫度、霧氣的濃度等。若想實現霧氣集水的持續性和量產性，亟待開發主動性的霧氣集水技術。實際應用中有利用空氣壓縮機或者半導體制冷等方法，將霧氣冷凝聚集來集水。此方法耗能大，在實用性上受限于能耗和便攜性。2018年，MIT的Varanasi等人創造性的提出了利用超高壓電場電離霧氣粒子周圍的空氣，并使得霧氣粒子帶電，在電場的作用下，帶電的霧氣粒子向接地的鐵網遷移，放電并吸附在鐵網上實現了凝結。這種方法有很高效的凝結效率，耗電量低。從而真正實現了霧氣集水的主動化。這個方法需要利用極高的電壓（>5千伏特）。高壓電暈放電還會產生臭氧等有害物質。以此這個方法的實用性和安全性上需要一個更安全的改進方法。金屬有機骨架材料（MOF），這種材料把有機分子和金屬原子連接在一起，形成具有非常大表面積的多孔洞的材料。巨大的表面積賦予了MOF材料高效的吸附能力;據報道，一千克新型MOF材料每12個小時可以從濕度為20%的空氣中吸取2.8升的水。利用MOF可以設計制備出夜間吸收水汽，白天利用太陽光照熱量將吸附的水分子釋放出來，從而實現從空氣中循環獲取水資源。

立于埃塞俄比亞某村的WarkaWater蓄水塔，能從空氣中霧氣集水的蓄水塔，實際例子圖。圖片來源www.warkawater.org

3 結語

目前霧氣集水法分兩種。第一種為利用網狀或者親水表面來凝聚霧氣粒子的被動收集法;第二種方法為主動式霧氣水汽凝聚，包括了低溫表面凝聚，高壓放電收集，金屬有機框架吸附材料。被動凝聚收集受限于收集效率，天氣等條件;而主動收集法受限于能耗，便攜性等問題。因此未來的技術發展需要朝著綜合這兩種方法的優點的方向出發。

參考文獻：

[1]Yaodong Tu，Ruzhu Wang，Yannan Zhang，Jiayun.WangProgress and Expectation of Atmospheric Water Harvesting，Joule 2018，2，1452-1475.

基金項目：三亞市院地科技合作基金（2019YD13）資助

作者簡介：謝瓊丹（1980-），男，海南三亞人，博士，研究方向：環保、新材料、防彈織物等;職鳴奕（1999-），男，三亞學院信智學院本科生。