在美国死亡谷成功“造水”，MIT团队打造大气水收集器，成功生成161.5毫升锂离子浓度低于0.06ppm的安全用水

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先后在美国加州死亡谷和美国麻省开展实地集水测试基于超稳定 PVA-LiCl-甘油水凝胶板优异的吸水性和光热蒸发性能，研究团队又开发了一种米级 AWHW，其尺寸为 0.56 米（长）×0.4 米（高）×0.12 米（宽），配备一块 0.47 米（长）×0.34 米（高）×1 毫米（厚）的吸附板。然后，他们将该系统于 2023 年 11 月初在美国加州死亡谷进行测试。通过动态蒸气吸附（DVS，dynamic vapour sorption）分析得出的 20% 相对湿度下的吸水等温线以及原位测量，均证实了研究团队的水凝胶在极端干旱条件下具有卓越的吸水能力。如下图所示，设备按昼夜循环运行，夜间吸水，白天解吸水分。值得注意的是，2023 年 11 月 2 日晚在死亡谷，吸附板收获了 106.0 克水，较其干重增加了 81.8%。（来源：Nature Water）相对湿度和温度曲线如下图所示，其中相对湿度范围为 18% 至 24%，这表明湿度非常低。从上午 7:30 到下午约 5:00，量筒中收集到 57.0 毫升水，热效率为 9.3%。太阳通量峰值为 471.5 瓦/平方米，环境温度最高达 32.0℃。（来源：Nature Water）利用窗玻璃上的辐射冷却涂层和铝制底座的强大散热能力，AWHW 腔体将内部温度维持在 41.6°C 以下。尽管 PVA-LiCl-甘油水凝胶在阳光下的温度峰值达到 78.6°C，但这仍能确保水蒸气在窗表面持续冷凝。据他们所知，这是吸湿水凝胶在如此低的相对湿度下产水的首次实际验证。而在实际应用场景中，气象条件会呈现季节性变化特征。例如，在摩洛哥南部的瓦尔扎扎特，相对湿度跨越很大，比如当地在 2021 年 12 月的湿度为 97.0%，在 2022 年 7 月的湿度为 7.3%。这种变化凸显了太阳能大气集水技术需要适应不同气候的必要性。为此，研究团队在环境模拟舱中设置了 88% 的相对湿度条件进行夜间水分吸附实验，并于 2023 年 11 月 6 日在死亡谷开展了日间光热蒸发测试。结果发现，吸附板捕获了 211.2 克水，重量增加了 163.0%，白天收集到 161.5 毫升水，热效率为 26.4%。（来源：Nature Water）这一结果表明，在相对湿度较高的情况下，AWHW 的水产量较高，超过了所有其他被动式太阳能大气集水装置。因此，AWHW 可以在 18%-90% 的宽泛相对湿度范围内高效集水，从而实现全年适用性。这也说明 AWHW 在长期低湿度的物理性缺水地区具有应用潜力，同时也能缓解印度北部等高湿度地区的经济性缺水问题，从而将其适用性扩展到干旱地区之外。除了在死亡谷进行实地测试之外，研究团队还于 2023 年 7 月在美国麻省剑桥市的一个城市环境中测试了 AWHW，那里的相对湿度更高。期间，研究团队构建了一个尺寸为 28.0 厘米（长）×6.4 厘米（宽）×31.5 厘米（高）的 AWHW 装置，其吸附面板厚度经吸附/脱附动力学和水分捕获能力优化后确定为 1.8 毫米。值得注意的是，尽管采用了无孔材料设计，但吸附动力学依然足够快，使吸附面板在 10 小时的吸水期内接近稳定状态。基于 AWHW 的昼夜工作循环机制，它在 2023 年 7 月 28 日产出 56.5 毫升水，实现了 1.26 升/平方米/天的极高面积产水率，这一性能超越了此前最先进的被动式大气水收集器。与此同时，单位面积产水速率会根据当地环境条件而变化，包括夜间相对湿度、太阳辐照度、环境温度和风速。数据显示，AWHW 表现出卓越的气候适应性和可扩展性，使其能够轻松实现定制以便满足特定的当地环境条件。总之，AWHW 代表了一种开创性的、安全、可扩展的大气集水解决方案，为日常水生产和气候适应性设定了基准，在为水资源最紧张的地区提供实用、可扩展、安全和可持续的分散式供水解决方案上取得了进步。当然，这些水量远不足以完全满足人们的饮水需求，因此研究团队认为在缺水地区部署一系列垂直排列的水凝胶面板，或许能产出更大量的水，从而足以支撑一整个家庭的用水需求。参考资料：Liu, C., Yan, XY., Li, S.et al. A metre-scale vertical origami hydrogel panel for atmospheric water harvesting in Death Valley. Nat Water (2025). doi.org/10.1038/s44221-025-00447-2