(圖:Berkeley News)

美國一班科學家最近研發一種由「金屬-有機框架」組成的水分收集器,利用太陽能,可以從空氣中收集水分。相比其他相似的技術,這設備更節約能源,而且在空氣濕度較低的條件下也能運作,可在一小時內製造出一個人一天所需的清水,有望能解決乾旱地區欠缺食水的問題。

金屬-有機框架「抓住」目標分子

這種水分收集器主要由金屬-有機框架(metal-organic framework,MOF)組成,由美國加州大學伯克利分校化學教授 Omar Yaghi 及其研究團隊發明。20 多年來,Yaghi 的團隊一直研究將鎂、鋁等金屬與有機分子結合,製成可以儲存氣體和液體的硬性多空結構。至今全球科學家們共合成了兩萬多種不同結構和用途的MOF。

2014 年,研究團隊成功合成了一種新的 MOF,由鋯和己二酸構成,能夠與水蒸氣結合。隨後,研究團隊與麻省理工學院(MIT)機械工程師 Evelyn Wang 展開合作,開始研究利用這種新的 MOF 製造一個水分收集器。

他們設計的水分收集器,將一千克的 MOF 晶體壓縮在一個太陽能吸收器和冷凝板中間。當環境空氣通過多孔 MOF 時,水分子在內表面聚集。太陽能使 MOF 加熱,促使結合的水分子向冷凝板移動,凝結成液態水,滴到收集器中。

在 20%-30% 的濕度下,該裝置在 12 小時內可收集 2.8 公升的清水。在 MIT 進行的屋頂實驗證實,在現實生活環境中,裝置亦能成功運作。

金屬-有機框架 MOF (圖:Berkeley News)

收集水分,節能高效

Yaghi 表示,從低濕度空氣中收集水分是一個長期以來的挑戰,目前的裝置,例如家用的除濕器,「制水」成本太高,必需消耗大量能源。而這個使用 MOF 的水分收集器則只需太陽能運作,是一個很大的進步。

同時,Yaghi 表示,這個概念水分收集器還有很大的改良空間。現在的 MOF 只能吸收自身重量 20% 的水分,但其他材料可以吸收 40% 甚至更多,甚至還可以調節材料在濕度高或低的時候的效率。

現在 Yaghi 的團隊正在研究繼續改進 MOF,而 Wang 的團隊則致力改良整個系統,增加制水量。Yaghi 認為,收集的水量多少有很大的提升空間。他們希望這個發明能幫助居住於沙漠或其他乾旱地區的人,未來這些地區如不幸斷水,這個收集器不到一小時,就可以制出一個人一天所需的清水,拯救居民的性命。

 

參考資料:

  1. Kim, H., Yang, S., Rao, S., Narayanan, S., Kapustin, E., Furukawa, H., . . . Wang, E. (2017). Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight. Science, 356(6336), 430-434.
  2. Sanders, R. (April, 2017). Device pulls water from dry air, powered only by the sun. Berkeley News.
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