麻省理工新科技：几分钟内从空气中“榨”出饮用水

提取收集到的水分通常需要热量——而且要等很久。目前大多数系统依靠阳光加热这些材料，直到被困的水分蒸发并凝结成液体。这个缓慢的过程可能需要数小时，甚至长达数天。麻省理工学院的工程师们现已发现一种更快的水分回收方法。他们没有依赖太阳能加热，而是利用超声波振动将水分震松。超声波振动提供了一种更快的替代方案。研究人员制造了一种高频超声波装置，它能快速振动。当吸水材料（即“吸附剂”）放在该装置上时，装置会发出特定频率的超声波，用以打破束缚水分子的化学键。他们的测试表明，这种方法能在几分钟内释放水分，而热驱动系统通常需要数十分钟乃至数小时。由于不依赖热量，该装置需要电源。研究团队建议，小型太阳能电池即可供电，同时还能充当传感器，检测材料何时达到饱和状态。该系统甚至可以设置为每当积累了足够水分时自动启动。这种自动化能让装置在一天内反复收集和释放水分。迈向实用化的大气取水系统 麻省理工学院机械工程系首席研究科学家斯韦特兰娜·博里斯基娜（Svetlana Boriskina）表示：“人们一直在寻找从大气中收集水分的方法，这可能成为一个重要的水源，尤其对于沙漠地区以及那些甚至没有海水可淡化的地方。现在，我们找到了一种快速高效回收水分的方法。”博里斯基娜及其合著者在11月18日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）的一项研究中描述了该装置。该论文由第一作者、麻省理工学院媒体艺术与科学专业研究生伊克拉·伊夫泰哈尔·舒沃（Ikra Iftekhar Shuvo）牵头，合作者还包括卡洛斯·迪亚斯-马林（Carlos Díaz-Marín）、马文·克里斯滕（Marvin Christen）、迈克尔·勒贝特（Michael Lherbette）和克里斯托弗·利姆（Christopher Liem）。改进大气取水技术 博里斯基娜的研究团队致力于研发能以创新方式与环境条件相互作用的材料。最近，他们探索了大气取水（AWH）技术，以及如何通过材料工程设计来高效地从空气中提取水分。其长期目标是为既缺乏淡水又没有海水资源的社区提供可靠的饮用水来源。与许多其他团队一样，他们最初假设，放置在户外的大气取水系统会在夜间吸收水分，然后在白天依靠阳光通过蒸发和冷凝来释放水分。“任何非常擅长捕捉水分的材料都不愿意轻易释放水分，”博里斯基娜解释道，“因此，要从材料中提取水分，需要投入大量能量和宝贵的时间。”超声波研究引发的新方向 更快提取方法的想法是在伊克拉·舒沃加入该团队后产生的。舒沃此前一直从事超声波在可穿戴医疗设备中的应用研究，在与博里斯基娜的讨论中，他们意识到超声波振动或许能显著加快大气取水中的水分释放步骤。“我突然想到：我们正试图解决这个大问题，而现在伊克拉似乎有了一个可以用来解决这个问题的工具，”博里斯基娜回忆道。超声波如何震松水分 超声波是指频率超过20千赫兹（即每秒20,000次循环）的声压波。这些高频波人类既看不见也听不见。研究团队发现，在合适的频率下，超声波可以将水分子从吸附它们的材料中震松。“通过超声波，我们可以精确地打破水分子与其吸附位点之间的弱键，”舒沃说，“这就像水在波浪中跳舞，这种有针对性的扰动产生了释放水分子的动量，我们可以看到水分以液滴的形式被震出来。”设计高频致动器 舒沃和博里斯基娜专门为大气取水打造了一款超声波致动器。其核心是一个扁平的陶瓷环，当施加电压时会产生振动。陶瓷环周围是另一个带有微小喷嘴的环。当液滴被震松后，会通过喷嘴落入放置在振动环上下方的收集容器中。研究团队使用之前研发的大气取水材料对该装置进行了测试。他们将四分之一美元硬币大小的吸附剂小块放入湿度箱中，在不同湿度水平下放置，直至每个样品完全饱和。然后将每个样品放在致动器上，以超声波频率振动。在所有测试中，致动器都能释放足够的水分，在几分钟内使材料变干。效率提升与实用潜力 研究人员估计，在从相同材料中提取水分时，超声波方法的效率是依赖太阳能加热方法的45倍。“这款装置的优点在于它完全具有互补性，几乎可以作为附加组件应用于任何吸附材料，”博里斯基娜说。她设想了一种家用系统：使用快速吸水材料搭配超声波致动器，两者尺寸都大致与窗户相当。当材料达到饱和时，致动器会利用太阳能电池供电短暂启动，震出水分，然后重置进行下一个循环。“关键在于每天能提取多少水，”她说，“有了超声波，我们可以快速回收水分，并反复循环。这样一来，每天的取水量就能累积到相当可观的水平。”这项研究工作部分得到了麻省理工学院阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔水与食品系统实验室以及麻省理工学院-以色列朱克曼 STEM 基金的支持。