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盤點改變水狀況的水凝膠技術，新型水凝膠竟在沙漠中造水

文章來源：賢集網更新時間：2023-06-27 15:21:20

水是人類賴以生存的重要元素之一，如今全球還有無數人因為找不到足夠的飲用水而發愁。與此同時，由于環境條件的變化，氣候變化增加了維持全球水和能源供應的負擔。據聯合國兒童基金會稱，世界上近三分之二的人口每年至少有一個月經歷嚴重缺水。

在尋找能夠收集水的創新材料時，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。為了在各種環境情況下有效和可用，這些水凝膠需要低成本、可擴展和可持續，并提供高度的水蒸氣吸收。本文就來盤點國內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，新加坡國立大學的一個團隊開發了一種新的水凝膠，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。

據稱鋅基材料的吸收性是現有干燥劑（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，凝膠還可以被重復使用超過1000次。

在現場試驗中，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。

“我們的發明也有可能大大擴展，起到浮動捕水農場的作用，”負責該研究的首席科學家Tan Swee Ching副教授說道。“這種方法可以使獲得清潔水的農村社區受益。通過創造性地應用新穎的解決方案，我們希望為緩解全球水危機做出貢獻。”

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高的溫度，通常需要電源。

低成本凝膠薄膜將空氣轉化為飲用水

據BGR報道，得克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員創造了一種集水凝膠，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。

這兩種成分結合在一起，形成了負責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？

根據研究人員在《自然·通訊》上發表的一篇論文，凝膠的多孔結構吸引了它周圍空氣中的水。然后它在凝膠內凝結，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揮其作用。

在測試中，集水凝膠能夠在一個濕度為30%的地區每天吸收13升的水。即使當濕度下降到15%時，該凝膠每天也能產生超過6升的水。研究人員還認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，它必須設置兩分鐘。從那里，他們將產品冷凍干燥，并將其從模具中剝離出來。

在這一點上，凝膠已經可以開始工作了。另外，可以很容易地對它進行縮放，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，麻省理工學院（MIT）的研究人員開發出一種新的超吸水水凝膠，這一創新性的技術可能對沙漠和干旱地區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大的鹽類—氯化鋰，使得水凝膠的吸濕能力得到了顯著增強。

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

"我們一直在探索材料的基本性質，并沒有限定于某一特定應用場景。" MIT機械工程研究生Carlos Díaz-Marin表示，"但現在我們在研究各種可能的應用，包括提升空調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點，其潛力無法估量。"

如果能夠大規模生產這種超吸水水凝膠，它有望用于被動式的水收集，也可以整合到空調系統中，通過除濕來節約能源。MIT的研究團隊采取了一種創新的方法，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。這一嘗試的結果超出了所有人的期望，經過30天的處理后，每克水凝膠中吸收了高達24克的鹽，這是之前紀錄的四倍。

這種超強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生水。"他指出，他們的下一步目標是提高材料的吸濕速度。

另一名團隊成員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。現在，我們的主要關注點將放在動力學上，即如何快速吸濕。這將使得這種材料能夠更快地循環，不僅每天能收集一次水，甚至有可能實現每天多次收集水。"

這項由MIT設備研究實驗室進行的研究展示了這種超吸水水凝膠的巨大潛力，它可能是實現更加可持續的水資源收集和節能行為的關鍵。

全球水資源安全是一個日益重要的議題，人口增長、氣候變化以及工業需求的增加使得這一問題愈加嚴重。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的水資源問題，提供一種創新的解決方案。

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來源：賢集網
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