大气水收获

经过三年的干旱,2018年1月,南非开普敦的城市只有90天离开关掉水龙头。官员警告说,居民将不得不从200中央水收集定量供水中心。在这次事件中,轻拍住。这在很大程度上是由于消费急剧下降后公告。填充游泳池和洗车被禁止。竞选口号的如果是黄色,让它放松”削减国内使用,一样脏衬衫竞争挑战参与者之间尽可能长时间穿衣服洗涤。对农业用水量和配额的回归的降雨也有助于补充城市的水库。

但在开普敦密切躲避成为第一个世界主要城市的水,其他主要城市可能没有那么幸运——包括伦敦。英国环境署一再警告,伦敦和英格兰东南部的其余部分,到2050年将没有足够的水,除非我们改变我们的water-wasting方式。我们需要水浪费一样不被社会吹烟面对一个婴儿或者把你的塑料袋扔进大海,”詹姆斯·贝文环境机构的首席执行官,2019年3月的一次会议上说。

科学家估计,有40亿人已经生活在严重的淡水短缺的地区,每年至少一个月。这个数字将上升到2050年48亿年和57亿年之间。原因包括气候变化、污染的水供应和需求增加,由于人口增长和使用行为的变化。

一个原因很难说服消费者减少消费是认为水是在我们周围。超过70%的地球表面是水覆盖着。然而,只有大约2.5%的淡水,其余的是盐水。和大多数的淡水,至今仍被关在冰帽,冰川和永久的雪。不到地球上1%的水用于饮用。

有超过6倍的水量以蒸气形式在我们的星球比所有的河流

技术解决方案正越来越多地寻求供应我们曾经渴的世界。海水淡化厂去海水中的盐,正在经历一个巨大的恩惠。但另一个不太知名的技术也开始变得流行:大气水矿车。

顾名思义,这些设备捕获大气中的水。这些包括技术能够捕获气体(蒸汽)和液体水(水滴)从周围的空气。

一个很酷的解决方案

有超过6倍的水以蒸气形式在我们的星球比所有的河流在任何给定的时间,”解释了大卫•赫兹公司的共同创始人集雨SkySource在加州,美国。

技术来捕获大气中的水蒸气商用了几十年,今天在70家公司出售设备。情况下,大气水矿车在远程部署到目前为止包括旱灾地区,在救灾过程中,当地饮用水被污染,由军队在操作和远程度假村有限的淡水供应。

大多数商业化大气水矿车模拟植被清晨露水形式和冷凝形式如何酷项目当我们把它们放在冰箱里。当热空气接触一个很酷的表面,它正在迅速冷却。如果这是在一定温度下,称为露点,空气中的水蒸气凝结液相。由此产生的水滴形成表面然后收集。

市场仍然很小

大部分这些设备操作相同的方式机械除湿机:风扇空气过去一个很酷的线圈的水,空气凝结。他们不同于机械除湿机在两个主要方面,解释了从咨询公司罗兰Wahlgren Atmoswater研究在温哥华,加拿大。首先,健壮性——水矿车被设计成操作的24/7,而不是循环。其次,饮用水质量控制是内置在机器。线圈是涂有食品级涂层,这样收集的水不接触金属污染,空气过滤器是质量远高于除湿机,“Wahlgren说。

热起来

但即使这种dehumidifier-like集雨技术现在已经存在了一段时间,市场仍非常小,制冷工程教授解释Ruzhu Wang在中国上海交通大学。原因是高能源消耗和初始投资成本,”他补充道。另一个问题是水俘获效率;特别是在干燥,沙漠条件集雨技术可能在最需要的地方。大气中必须为有用的潮湿的水蒸气能够吸收使用这些工具。

水丰富XPrize这些都是问题,从2016 - 2018年,着手解决。任务是提取至少每天2000升的水从大气中,使用可再生能源和0.02美元/ L或更少(£0.016 / L,启动成本计入)。获胜者是Wedew (wood-to-energy部署应急水),由Skysource开发。

Wedew是由生物质气化炉生成器,木屑等生物质转化为电力,生物炭和热潮湿的空气。这是基本的热湿空气Wedew水的捕获效率,创造有效rainforest-like环境内的设备。我们是不可知论者,环境气候,赫兹解释道。温暖的空气也意味着我们可以创建对环境温度的表面凝结,他补充道。因为自然环境表面温度是热湿空气的露点以下,不需要制冷剂或能量因此冷却表面水的收集,运营成本也随之下降。

帮助基金努力,加上水的销售,Wedew用户可以出售多余的能量从热解过程和生物炭。赫兹说,他也愿与政府机构和非政府组织合作,购买Wedew由发展中国家的支持。

我们目前在商业化的早期阶段,”他说。一些设备目前正在测试和全球案例研究的大型项目在计划之中。“在未来两年内我们希望测试不同气候条件下,不同原料和不同的文化,“赫兹补充道。

干燥剂走向市场

冷凝冷却器,盘表面是最建立水蒸气收割技术,但另一种方法是开始获得牵引力,使用干燥剂。这些吸湿材料吸收水像海绵一样;著名的干燥剂的例子包括聚丙烯酸钠用于婴儿尿布和硅胶袋在运输期间使用的电子设备。干燥剂,如氯化锂的解决方案和硅凝胶,也用于某些商业化除湿机。

干燥剂低能源消耗和高水萃取效率

在这种类型的收割机,水内容而眠的“海绵”轻微的加热。“condenser-based技术相比,使用干燥剂空气集雨技术降低能源消耗和水萃取效率更高,”王说。“Desiccant-based使用[也]是唯一合理的方式来实现空气水收集在干旱或沙漠地区,”他补充道。

第一个大气水与干燥剂在2017年达到市场收割机。源hydropanel,由零质量的水,是一个离网,独立的系统的集成太阳能电池板。一个典型的dual-panel设置每天生产大约10 l水;一个体积变化根据湿度和小时的阳光。到目前为止,源hydropanel已经安装在超过35个国家。液体干燥剂是科迪Friesen材料科学实验室的开发在美国亚利桑那州立大学。其组成、一样的其他干燥剂商业化为此,尚未透露。

更大的大气水收割机包含液体干燥剂现在走向市场:Drupps概念,正在开发的集水公司Drupps。其原型,位于公司总部在乌普萨拉,瑞典,每天生产3000升的水。设置模块,添加了额外的干燥剂模块能够为干燥的气候或如果需要更多的水,Drupps联合创始人弗雷德里克·Edstrom解释道。

第一模块Drupps概念使用风扇来直接包含干燥剂的气流经过一个水库。液体干燥剂是分布在一个结构具有很高的内部区域,“Edstrom说。然后注入干燥剂第二模块提取水的地方。下面是一个治疗步骤。治疗并不是严格必需的,因为它是纯蒸馏水生产——但许多大气水矿车这样做,以确保饮用性的水将被存储为任何时间并添加矿物质味道的原因。去除矿物质水的味道“时髦的”,Edstrom解释道。

因为Drupps概念不是可移植的、依赖于外部电源,它有一个不同的目标市场的竞争对手。根据Edstrom,目标是电力行业,可用于冷却塔产生的水。“我们也在调查为食品和饮料生产提供一个安全的水源,“他补充说。我们在讨论关于我们的第一个客户项目”,但冠状病毒疫情已经放缓下来。

新一代的干燥剂

下一代大气干燥剂进行集雨目的包括复合吸附剂、等激活carbon-lithium氯被王发达和有机框架(mof)。mof的使用水捕获开始奥马尔Yaghi化学实验室的加州大学,伯克利分校、美国和现在被他的子公司集雨结转。¹

第一个水分子形成种子聚合到其他水分子结合

财政部有非常大的内部表面区域,这意味着他们可以容纳大量的水在他们的毛孔。此外,还有一个合作效应时用来捕捉水。“第一个水分子形成种子聚合到其他水分子结合,“Yaghi解释道。“你从水吸收低然后开始前显著增加趋于平缓,因为毛孔完全包装。

财政部集雨技术已通过测试的原型数量在亚利桑那州和莫哈韦沙漠。我们可以收获水在7 - 20%相对湿度的相对湿度在沙漠在夏天的中午,Yaghi说。

第一个原型是一个简单的塑料box-within-a-box构造。内部盒子打开MOF的空气/晚上。的水进入财政部然后你白天关闭设备。在沙漠里的阳光,在加热和水出来,Yaghi说。内部的空气中的水分凝结到墙外框,因为外部空气温度低于空气的露点在盒子里面。

这个初步设计生产每公斤200 - 300毫升的水的财政部,根据大气湿度水平。每公斤增加水的体积产生的材料,这个团队做了一些调整,包括增加太阳能电池板。的太阳能电池板提供电力推动空气的小球迷在财政部然后,当时间是正确的,加热财政部去除水中,“Yaghi解释道。所需的能量,这个过程并不是很高,因为水是不紧密的孔隙。

太阳能电池板和蓄电池的使用意味着,而不是一个昼夜周期中,财政部可以填充和empted十周期每小时,每天24小时。我们现在接近几乎增加一个数量级收集每天每公斤,水的体积的Yaghi说。

集水设备大小不一,从发展小厨房工作台面矿车,生产家庭饮用水,工业使用或通过大型设备收集水供应偏远村庄社区。我们希望推出下一个原型Covid-19情况稳定,“Yaghi解释道。

热响应性聚合物water-release一步需要很少的能量

水凝胶是另一种类型的干燥剂材料正在探索。这些聚合物网络能吸收极大量的水。科学家们发展集雨水凝胶包括上海的王,这于德克萨斯大学奥斯丁分校,我们。

于正在开发一种双重部件水凝胶含有吸湿聚氯化聚吡咯渗透网络Nisopropylacrylamide。²后者聚合物热响应,大约从亲水疏水在体温。当水凝胶是暴露在空气中,氯化聚吡咯吸收水蒸气。一旦完整,网络是温暖略引发聚N量isopropylacrylamide从亲水性变为疏水性,水滴,因此被释放。这设计涉及热响应性聚合物water-release一步需要很少的能量,”Yu解释道。

于2019年1月,出版的细节为他的第一个原型设计和测试。测试进行的屋顶上奥斯丁大学的建筑。网格袋含有水凝胶是首先对集水挂在空中。这些被放置在一个密封的玻璃容器对太阳能变暖,因此,水释放。“我们发现一个周期大约需要45分钟吸收水释放5 - 10分钟,”Yu说。10天测试,团队每天跑大约20周期发现水量白天收集与湿度变化显著。我们获得关于25-30L每天每千克的水凝胶,”他解释说。

Yu说,他目前专注于降低成本的水凝胶,找到一个合适的伙伴的更多的商业演示技术。

仿生雾收获涂料

大气水凝结和desiccant-based矿车收集水蒸汽。还有第三个这种类型的技术,而不是收集液体水滴在空中已有雾矿车。

雾取水的巨大织物网格已经运行了几十年在世界的位置,经验缺水和频繁的雾,如阿塔卡马和纳米布沙漠。雾形式由海岸和山上特别好。有一个当前的研发重点发展新型网格和涂层来提高水捕获效率。传统的网格只收集3 l的水每天每平方米的织物。

许多这些新的设计灵感来自大自然。Liqiu王在香港大学,例如,已经尝试网,模拟蜘蛛网。和黄Tak-Sing宾夕法尼亚州立大学在美国复制投手植物和水稻叶的设计。仙人掌类结构和那些模仿纳米布沙漠甲虫的壳也正在开发的其他地方。

王使用微流体技术来模拟蜘蛛网的结构和微尺度表面粗糙度。聚合物和海藻酸钠在水的混合物是通过一个流动过程的产生一层很薄的液体,他解释说。这一薄层液体注入氮气泡沫非常严格定义的位置。里吸湿,然后固化液体氯化钙。固化时,气泡在王的纤维形态结构称为节,正是这些给所需的结构和表面粗糙度。

表面化学可以从空气非常有效地捕捉水滴

2017年,他的团队报告他棘手的纤维制成的实验室测试发现水俘获效率两到七倍的传统雾收获网格(取决于环境条件)。从那时起我们一直改善纤维性能,”王解释说。“我们还没有达到的阶段我们可以商业化的技术,但我们仍然计划这样做。”

网涂层在黄西在美国的实验室正在开发集中在改善的捕捉水滴滑落的网格集合。的水滴被困的材料目前矿车的雾,”他解释说。的表面化学可以从空气非常有效地捕捉水滴,吸收后,可以迅速被删除,因为我们创造一个光滑的涂层材料。在2018年的一篇论文中,研究小组报道的戏剧性的改善传统liquid-repellent表面用于该应用程序。

黄西的涂层有两个聚合物层。更低的微型和纳米级粗糙度,模仿的疏水表面水稻叶。和半永久的润滑剂层上部,类似于滑面猪笼草的叶子,这是这个属性,使u形叶诱捕昆虫猎物那么有效。我们有专利,所以我们在寻找合适的商业伙伴的过程中翻译这项技术的商业空间,“王解释道。

大气水矿车永远不会单一的答案我们日益严重的水危机。但这里所讨论的所有三种类型的设备——冷凝冷却线圈,desiccant-based和雾矿车——有可能发挥重要作用的多管齐下的方法需要保持世界的龙头。随着世界变暖,安心去看世界的科学家准备烤箱所有这些技术。

英国索尔兹伯里尼娜Notman是科学作家