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從空氣中“擠”出水：突破熱力學極限的大氣取水新技術

在全球范圍內，數十億人仍然無法穩定獲得安全飲用水，其中絕大多數生活在缺乏基礎設施的農村地區或干旱地區。傳統水資源獲取方式如地下水開采或海水淡化，在許多地區因能源和經濟條件受限難以推廣。然而，地球大氣中儲存著約 12900 km3 的水蒸氣，其規模遠超全球每日飲用水需求。如果能夠高效地從空氣中獲取這些水分，將為解決全球水資源短缺提供重要途徑。問題在于，目前的大氣取水技術往往需要較高能耗，使得其在資源匱乏地區的實際應用受到限制。

針對這一挑戰，麻省理工學院Svetlana V. Boriskina教授課題組系統分析了現有大氣取水（Atmospheric Water Harvesting，AWH）技術的能耗限制，并提出了一系列新的解決路徑。作者指出，通過引入振動驅動等非熱再生方式以及具有刺激響應特性的吸附材料，可以顯著降低系統能耗并提升產水效率。例如，利用超聲振動實現吸附劑再生，能耗最低可降至 0.09 kWh kg?1，遠低于傳統熱蒸發技術，同時再生時間也可縮短至 2分鐘以內。這些新機制為未來大規模、低能耗的大氣取水技術提供了新的方向。相關成果以“Breaking the thermal limit of atmospheric water harvesting technologies”為題發表在《Nature Reviews Clean Technology》上。

大氣取水技術的瓶頸：吸附與解吸的能耗限制

圖1展示了當前大氣取水技術的主要路徑及其能耗瓶頸。傳統方法主要包括三類：霧水收集、冷凝取水和吸附式取水。在圖1a中，霧水收集利用網狀結構直接在環境溫度下捕獲空氣中的水滴。這種方法結構簡單，但只在高濕或多霧地區有效。圖1b展示的是冷凝取水，即通過降溫使空氣中的水蒸氣達到露點并凝結成水。這種方法需要持續制冷，因此能耗較高。相比之下，圖1c所示的吸附式取水通過多孔材料在環境溫度下吸附水蒸氣，再通過加熱釋放水蒸氣并冷凝成水。這類系統能在更廣泛濕度條件下運行，但解吸過程通常需要加熱，從而帶來顯著能耗。圖1d進一步給出了不同技術的理論能耗下限。黑色曲線表示從空氣中分離水蒸氣所需的熱力學極限能耗，而灰色虛線表示傳統蒸發冷凝過程的熱力學極限（約 0.628 kWh kg?1）。現實設備的能耗通常遠高于這一極限，因為存在系統損耗。圖1e展示了典型吸附材料系統（如MOF-801、MIL-160以及PAM-LiCl水凝膠）的能耗范圍，實驗系統的能耗往往比理論極限高一個數量級。圖1f展示了吸附等溫線，用于描述材料在不同相對濕度下的吸水能力。不同類型等溫線反映了不同的吸附機制，例如微孔吸附、多層吸附以及毛細凝結等。圖1g則強調，在實際應用中，快速吸附和釋放的動力學性能往往比最大吸水量更重要，因為更快的循環可以顯著提升每日產水量。

圖1 大氣取水中的吸附與解吸瓶頸

吸附材料的創新：MOF、水凝膠與復合材料

圖2系統總結了用于大氣取水的主要吸附材料類型及其吸附機制。圖2a和圖2b展示了金屬有機框架材料（MOFs）的結構和水分子簇在其孔道中的形成過程。MOF材料具有高度可調的納米孔結構和較大的比表面積，在低濕度環境下仍能吸附大量水分。圖2c顯示了多種MOF材料與傳統沸石的吸附等溫線。部分MOF在相對濕度低于30%時就會出現明顯的吸附躍升，使其非常適合干旱地區應用。圖2d進一步比較了多種納米多孔吸附材料的性能，包括最大吸水量、在80%濕度下的吸水能力以及吸附啟動濕度。某些MOF材料在保持較低啟動濕度的同時還能實現較高吸水量，從而實現高效取水。除了MOF材料，水凝膠也是重要的吸附體系。圖2e為多孔水凝膠的掃描電鏡圖。圖2f示意了水凝膠內部水分子的三種狀態：自由水、弱結合水以及與聚合物鏈通過氫鍵強結合的水。水凝膠的液態吸水能力極高，可達20 g g?1以上，但蒸汽吸附能力通常較低。圖2h至圖2k則介紹了復合材料，例如鹽-水凝膠體系。通過在水凝膠中引入LiCl等吸濕鹽，可以顯著提升低濕度下的吸水能力。這類材料在30%相對濕度時即可實現約 2 g g?1 的吸水量，為干旱環境下的取水提供了新的材料方案。

圖2 吸附材料及其吸附機制。

利用相變材料降低再生能耗

為了降低吸附材料再生過程中的能耗，研究人員提出利用可響應溫度的材料實現相變驅動的水釋放。圖3a展示了一種具有下臨界溶解溫度（LCST）的液體吸附劑。當溫度低于LCST時，液體與水形成均勻混合溶液并吸收水蒸氣；當溫度升高至LCST以上時，體系發生相分離，釋放液態水。圖3b則給出了相應的相圖，說明溫度變化如何改變體系的混溶狀態。圖3c和圖3d展示了溫敏聚合物PNIPAM的相變行為。低于LCST時，聚合物呈親水狀態并吸附水分；高于LCST時，聚合物轉變為疏水結構并釋放水分。圖3e進一步展示了多種復合結構，例如共聚物、互穿網絡以及MOF-聚合物復合材料。圖3g總結了不同吸附材料系統的吸附-解吸循環時間以及每日產水量。總體來看，引入溫敏材料可以顯著縮短再生時間并提高產水效率。

圖3 低溫相變驅動的水釋放機制。

超聲振動：打破熱蒸發極限的新機制

盡管溫敏材料能降低再生溫度，但仍需要熱能驅動。為進一步降低能耗，研究提出利用振動驅動實現水分釋放。圖4a展示了聲波的頻率范圍，從可聽聲到超聲波。圖4b為超聲驅動大氣取水裝置的示意圖：吸附材料被放置在壓電驅動器上，當驅動器產生高頻振動時，材料中的水分以液滴形式被甩出并收集。圖4d總結了超聲干燥技術的發展歷程。從食品加工到二氧化碳吸附再生，再到2025年首次應用于大氣取水。圖4e顯示不同研究中使用的超聲驅動器功率和頻率，其中兩項研究成功實現了低于熱蒸發極限的能耗。實驗結果表明，利用壓電驅動的超聲振動可使LiCl-PAM水凝膠的再生能耗降低約45倍。在循環運行條件下，該系統的能耗僅為 0.09 kWh kg?1，首次證明非熱驅動方式可以突破傳統蒸發過程的能耗極限。

圖4 振動驅動水釋放

聲波與材料的相互作用機制

圖5進一步揭示了超聲驅動水釋放的物理機制。圖5a展示了聲波在材料中傳播時產生的空化現象。當聲波在液體中傳播時，會產生周期性的壓縮和膨脹，從而形成氣泡并導致其振蕩或塌縮。這些過程會產生局部高溫、高壓以及強剪切力，從而破壞水分子之間的氫鍵并促進水分釋放。圖5b展示了不同實驗方法產生的剪切應變率，其中超聲作用產生的應變率可超過 10? s?1，遠高于常規材料測試。圖5c則總結了不同頻率和功率范圍下超聲波所產生的不同物理效應，例如穩定空化、慣性空化和聲流。圖5d至圖5g還介紹了其他潛在的非熱刺激方式，例如光場、磁場以及機械應變。這些外部刺激可以單獨或與超聲協同作用，進一步促進水分釋放并降低能耗。

圖5 非熱驅動水釋放機制。

展望：多刺激驅動的大氣取水技術

總體而言，非熱驅動的吸附劑再生技術為突破傳統大氣取水系統的能耗瓶頸提供了新的可能。研究表明，通過聲波振動、光場或電磁場等多種刺激方式，可以顯著提高水分釋放效率，使系統能耗接近甚至低于傳統蒸發過程的理論極限。同時，通過開發具有特定聲學、熱學和機械性能的復合吸附材料，并建立標準化測試方法，將有助于推動該技術從實驗室走向實際應用。未來，多刺激協同驅動的大氣取水系統不僅有望緩解全球飲用水短缺問題，也可能推動二氧化碳捕集、海水淡化和生物醫學等領域的發展。