科学家以树蛙皮肤为灵感研制大气水收集装置，满足工业级用水需求

近日，美国内华达大学拉斯维加斯分校博士毕业生、美国密歇根大学安娜堡分校博士后研究员高一伟与其团队开发出一种大气水收集装置。

该装置利用膜技术能够连续高效地从空气中提取水分。在一些缺乏淡水资源且风力较强的海岛上，基于实际气象数据模拟显示该技术每平方米的产能可超过 60 升/天/有效接触平方米，并且无需额外能量输入。

所捕获的水可被直接用于饮用。通过分馏技术加以进一步提纯，其还能满足工业级别的用水需求，例如氢气制备、数据中心的热管理以及区域性除湿等。

基于此项技术，研究团队已申请相关技术专利，并创立了一家名为 WAVR Technologies 的初创公司，目前正在积极推进融资工作。

图 | 高一伟（左一）（来源：Tianshuang Gao）

为了提升水蒸气的捕获效率，该团队开发了一种新型模型。通过优化膜材料的特性，该模型能够显著降低传质阻力，并能实现更快的捕水速率。

在该模型中，水凝胶起着“皮肤”的作用，能够支撑饱和盐溶液并能确保水分子在最小阻力条件下通过膜被吸收进入溶液中，从而加速吸水过程。此外，这一设计能够同时释放储存的水分，从而进一步提升总产量。

值得注意的是，现有文献中报道的空气水回收技术产能通常约为每平方米每天 3 公斤，并需要接近 70% 的相对湿度。

而本次技术在仅 20% 的相对湿度下便可达到这一水平，在 57% 的相对湿度下，通过实验验证的产能更高达每日每平方米 17 公斤，且随风速和环境湿度的提高进一步增加。

高一伟表示，此次技术最大的优势之一便是拥有极高的吸收速度，并且能同时将储存在溶液中的水分提取用于饮用水转化。同时，研究表明这一技术还可以应用在制氢、除湿、冷却等领域。

（来源：PNAS）

这种膜基技术拥有能源独立性和多功能性等优势。由于不依赖电力或复杂机械系统，该装置能够在自然风条件下高效运行，特别适用于偏远地区或能源匮乏的场景。

目前，该团队正在探索进一步优化膜材料的潜力，包括开发具有更高传输速率的新型水凝胶膜，以及结合人工智能技术对不同气候条件下的运行参数进行动态优化。

初步模拟结果显示，通过设计适当的设备集群和布置策略，该技术的年均产水量在全球多数干旱地区都能达到显著水平，能为解决全球范围内的水资源短缺问题提供切实可行的技术路径。

再干旱的地方，大气中也含有水

水资源特别是干净卫生的可饮用水的日益短缺，是目前最紧迫的全球问题之一，这一情况在干燥地区尤为严峻。

最近几十年，用于替代传统地下水的新型水资源回收技术，例如雨水收集技术和盐水净化技术等受到了学界和业界的共同关注。

但是对于干燥少雨且缺乏自然液态水的地区，上述技术均无法施行。所以，高一伟和所在团队开始着眼于另一种技术——大气水回收（AWH，atmospheric water harvesting）。

即便是再干旱的人类居住地区，大气中的水含量都是相当可观的。如能高效地捕捉空气中的水蒸气继而转变成可使用的液态水，或许可以为解决水资源匮乏做出一些贡献。

事实上，已有很多技术可以实现大气水回收。比如，使用冷凝器将周围环境温度降低至露点以下就能直接收集液态水。再比如，使用选择性过滤薄膜配合高功率压缩器就可以直接提取水蒸气。再再比如，使用高亲水的吸附性材料可以直接吸收大气水。

但是，前两种技术要么需要大量的能量输入，要么就是对于环境相对湿度的要求比较高。

而对于吸附性材料来说，它所需的耗能极低，并能在更干燥的环境中使用。

因此，使用高亲水吸附性材料来实现快速高效的大气水回收，是该领域内目前最受关注的方向。

但是，既然有这么好的技术，为什么基本在市面上见不到能够满足人们日常生活需要的大气水回收产品呢？

针对现有技术加以分析之后，他们发现使用传统吸附性材料的大气水回收技术的产能之所以差强人意，主要是因为它们受到了结构和工作模式的限制。

如果把一块吸附性材料想象成一块能够主动吸收周围水汽的“海绵”，那么整个水回收大致可以分成两个步骤：

第一步，将干燥的材料放在开放的环境里慢慢吸水，并把吸收的水分储存在材料内部；

第二步，等到“海绵”吸满水或者吸得足够久，就可以通过挤压或者加热的方式把里面的水重新取出来。

对于绝大多数使用吸附性材料进行空气水回收的技术来说，正是通过这一循环过程，来将大气水转成可以使用的液态水的。

经过一番研究之后，他们找到了制约了现有技术产能的两大问题：

原因之一在于，由于只能在同一时间进行其中一个步骤，因此无法在给“海绵”充水的同时让它释放捕捉到的水分来实现吸水效率最大化；

原因之二在于，即便掌握了将水从“海绵”里快速取出来的技术，如果“海绵”的自发性吸水速度不够快，那么总体产能就会受限于吸水速度。

（来源：PNAS）

从一个个烧杯开始……

而本次技术的核心在于通过仿生设计提升大气水捕获效率。高一伟和导师从自然界的树蛙皮肤和空气植物结构中获得灵感，开发了一种分层型材料分离架构。

（来源：PNAS）

具体来说，该架构将捕获、储存和释放水的过程进行了优化分离。水凝胶膜作为核心的传输介质，不仅具备高度的水蒸气渗透性，还拥有卓越的机械性能，使其能够在超薄状态下稳定运行。

为进一步验证技术的可行性，课题组建立了详尽的数学模型，针对膜材料的传质阻力、风速影响及环境湿度变化等关键参数进行模拟和优化。

为此，在本次研究的前半段，高一伟探究了水凝胶材料性能之间的联系，并针对水凝胶材料的特定性能进行强化。

期间，他和导师积累了大量关于水凝胶材料优化的经验，这让他们得以在造出兼具高通透性和优秀机械性能的水凝胶薄膜。

随后，他们开始建立理论模型和数学模型。通过模拟产能，他们不断优化实验模型的各种细节，并兼顾了实际操作的可能性。

接着，他们开始搭建室内测试模型和室外测试模型，在收集实验数据的同时不断地完善模型。

在室内实验中，他们使用三维打印风洞，针对不同相对湿度和风速条件下的捕水效率进行精准测量。

结果表明，该装置的捕水速率与空气流动条件呈正向函数关系，与理论模型的预测高度一致。这一发现不仅证明了装置的高效性，也为后续的工业化应用奠定了基础。

由于高一伟是他博士导师的第一个学生，因此在他刚加入课题组的时候，整个组只有他和导师两个人，一开始的实验室也只有一间屋子。

就这样，他俩从一个个烧杯到一台台仪器，每天一点点地把实验室建立起来，最终完成了本次研究。

日前，相关论文以《通过拟生物材料分离实现高产量大气水捕获》（High-yield atmospheric water capture via bioinspired material segregation）为题发在 PNAS 上[1]。高一伟是第一作者兼共同通讯，美国内华达大学拉斯维加斯分校助理教授H.杰里米·赵（Dr. H. Jeremy Cho）担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：PNAS）

课题组的长期目标不仅仅是提高产能，还包括推动该技术的大规模商业化。

他们计划通过与政府机构和环保组织合作，推广基于此技术的区域性饮用水解决方案，同时开发面向工业用户的模块化设备。

“未来，随着技术的进一步成熟和成本的降低，这种大气水捕获技术有望在全球范围内产生深远影响，为应对气候变化和水资源危机提供强有力的支持。”高一伟表示。

参考资料：

1.Gao, Y., Eason, A., Ricoy, S., Cobb, A., Phung, R., Kashani, A., ... & Cho, H. J. (2024). High-yield atmospheric water capture via bioinspired material segregation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(44), e2321429121.

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