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盤點改變水狀況的水凝膠技術(shù)，新型水凝膠竟在沙漠中造水

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2023-06-27 15:21:20

水是人類賴以生存的重要元素之一，如今全球還有無數(shù)人因為找不到足夠的飲用水而發(fā)愁。與此同時，由于環(huán)境條件的變化，氣候變化增加了維持全球水和能源供應(yīng)的負(fù)擔(dān)。據(jù)聯(lián)合國兒童基金會稱，世界上近三分之二的人口每年至少有一個月經(jīng)歷嚴(yán)重缺水。

在尋找能夠收集水的創(chuàng)新材料時，能夠從空氣中吸收水分的水凝膠 - 吸濕水凝膠引起了研究人員的注意。為了在各種環(huán)境情況下有效和可用，這些水凝膠需要低成本、可擴(kuò)展和可持續(xù)，并提供高度的水蒸氣吸收。本文就來盤點國內(nèi)外那些用水凝膠集水成果。

新型水凝膠利用陽光從海洋上空空氣中采集淡水

2019年，新加坡國立大學(xué)的一個團(tuán)隊開發(fā)了一種新的水凝膠，它能夠有效地捕獲海洋上空空氣中的水分，然后將其作為淡水釋放出來。

據(jù)稱鋅基材料的吸收性是現(xiàn)有干燥劑（如硅膠和氯化鈣）的8倍以上 - 它的吸收能力是水中干重的4倍以上。此外，與傳統(tǒng)干燥劑的情況不同，不需要電力將水從其中取出，凝膠還可以被重復(fù)使用超過1000次。

在現(xiàn)場試驗中，含有水凝膠的漂浮裝置被放置在海洋表面的海灘上。隨著水蒸氣隨后從鹽水中蒸發(fā)出來，凝膠收集到微小的空氣中的蒸汽液滴。一旦材料飽和，將其放置在封閉的玻璃盒中，該玻璃盒留在炎熱的陽光下。

“我們的發(fā)明也有可能大大擴(kuò)展，起到浮動捕水農(nóng)場的作用，”負(fù)責(zé)該研究的首席科學(xué)家Tan Swee Ching副教授說道。“這種方法可以使獲得清潔水的農(nóng)村社區(qū)受益。通過創(chuàng)造性地應(yīng)用新穎的解決方案，我們希望為緩解全球水危機(jī)做出貢獻(xiàn)。”

這樣加熱到45到50ºC（113和122ºF）之間，凝膠以蒸氣的形式釋放出儲存的淡水。蒸汽凝結(jié)在盒子的壁上，并以液體形式收集。相比之下，硅膠等材料必須加熱到相當(dāng)高的溫度，通常需要電源。

低成本凝膠薄膜將空氣轉(zhuǎn)化為飲用水

據(jù)BGR報道，得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員創(chuàng)造了一種集水凝膠，能夠從稀薄的空氣中提取水。這種凝膠可能是革命性的，是因為它的成本很低，創(chuàng)造過程簡單。這種集水凝膠之所以如此便宜，是因為它有兩種主要成分：第一種，纖維素，來自植物的細(xì)胞壁。因此，它可以廣泛獲得，而且容易獲得。第二種成分是魔芋膠，是一種食品添加劑，在全世界被廣泛使用。

這兩種成分結(jié)合在一起，形成了負(fù)責(zé)從空氣中吸收水分的凝膠膜。一旦被吸收，凝膠也可以很容易地將其釋放出來，而不需要太多的能量來完成。但它是如何工作的呢？

根據(jù)研究人員在《自然·通訊》上發(fā)表的一篇論文，凝膠的多孔結(jié)構(gòu)吸引了它周圍空氣中的水。然后它在凝膠內(nèi)凝結(jié)，將其儲存起來。不過，要釋放它，研究人員所需要做的就是對纖維素施加溫和的熱量。當(dāng)遇到溫和的熱量時，纖維素會變成疏水性，并釋放出捕獲的水。這使集水凝膠能夠發(fā)揮其作用。

在測試中，集水凝膠能夠在一個濕度為30%的地區(qū)每天吸收13升的水。即使當(dāng)濕度下降到15%時，該凝膠每天也能產(chǎn)生超過6升的水。研究人員還認(rèn)為他們可以提高凝膠的效率，這將使它能夠從周圍的空氣中吸收更多的水。

但這種廉價的集水凝膠最令人印象深刻的是，它也很容易制作。研究人員說，制作這種凝膠所需要做的就是將基本成分混合在一起。混合后，將成分倒入一個模具中，它必須設(shè)置兩分鐘。從那里，他們將產(chǎn)品冷凍干燥，并將其從模具中剝離出來。

在這一點上，凝膠已經(jīng)可以開始工作了。另外，可以很容易地對它進(jìn)行縮放，以任何方式塑造它。

含鹽水凝膠在沙漠空氣中也能吸水

在全球水資源短缺的背景下，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員開發(fā)出一種新的超吸水水凝膠，這一創(chuàng)新性的技術(shù)可能對沙漠和干旱地區(qū)的水資源利用帶來革命性的影響。

這種獨特的水凝膠材料具有極強(qiáng)的吸濕能力，能夠從空氣中吸取水分。令人驚奇的是，該材料能夠在干燥條件下，即使相對濕度僅為30%，也能持續(xù)有效地吸濕。

更令人興奮的是，這種材料在吸濕后并無泄漏問題，能夠經(jīng)過加熱、冷凝和收集的過程，最終得到純凈的水。這款超吸水水凝膠的神秘之處在于其特殊的材料組成。其核心成分是一種常用于紙尿褲等產(chǎn)品的吸濕材料—水凝膠。然而，MIT的工程師們不滿足于這一點，他們通過注入干燥能力強(qiáng)大的鹽類—氯化鋰，使得水凝膠的吸濕能力得到了顯著增強(qiáng)。

在過去的研究中，水凝膠中鹽的含量總是受到限制，然而，MIT的研究團(tuán)隊成功地突破了這一瓶頸，使得這種強(qiáng)化的水凝膠在極度干燥的環(huán)境中也能實現(xiàn)前所未有的吸濕性能。

"我們一直在探索材料的基本性質(zhì)，并沒有限定于某一特定應(yīng)用場景。" MIT機(jī)械工程研究生Carlos Díaz-Marin表示，"但現(xiàn)在我們在研究各種可能的應(yīng)用，包括提升空調(diào)的效率以及如何收集水。考慮到這種材料具有低成本和高性能的優(yōu)點，其潛力無法估量。"

如果能夠大規(guī)模生產(chǎn)這種超吸水水凝膠，它有望用于被動式的水收集，也可以整合到空調(diào)系統(tǒng)中，通過除濕來節(jié)約能源。MIT的研究團(tuán)隊采取了一種創(chuàng)新的方法，將氯化鋰注入水凝膠的時間從之前的24到48小時延長到了幾天甚至幾周。這一嘗試的結(jié)果超出了所有人的期望，經(jīng)過30天的處理后，每克水凝膠中吸收了高達(dá)24克的鹽，這是之前紀(jì)錄的四倍。

這種超強(qiáng)的吸水性能在各種濕度條件下都得到了驗證。即使在相對濕度為30%的極其干燥的環(huán)境中，每克水凝膠也能吸收驚人的1.79克水分。

Díaz-Marin充滿期待地表示："任何沙漠的夜晚都有如此低的相對濕度，因此理論上，這種材料可以在沙漠中產(chǎn)生水。"他指出，他們的下一步目標(biāo)是提高材料的吸濕速度。

另一名團(tuán)隊成員Gustav Graeber補充道："最令人震驚的是，通過這樣簡單的方法，我們得到了迄今為止最高的吸濕量。現(xiàn)在，我們的主要關(guān)注點將放在動力學(xué)上，即如何快速吸濕。這將使得這種材料能夠更快地循環(huán)，不僅每天能收集一次水，甚至有可能實現(xiàn)每天多次收集水。"

這項由MIT設(shè)備研究實驗室進(jìn)行的研究展示了這種超吸水水凝膠的巨大潛力，它可能是實現(xiàn)更加可持續(xù)的水資源收集和節(jié)能行為的關(guān)鍵。

全球水資源安全是一個日益重要的議題，人口增長、氣候變化以及工業(yè)需求的增加使得這一問題愈加嚴(yán)重。這種超吸水水凝膠可能為改善全球水資源安全，特別是在資源稀缺地區(qū)的水資源問題，提供一種創(chuàng)新的解決方案。

原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_528728.html
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