MOF：从干燥空气中捕捉水分

大气淡水含量丰富

目前，人类能够直接利用的淡水取自地下水、湖泊淡水和河床水。干净的饮用水是人类最基本的必需品，然而现在却变得越来越稀缺。

美国期刊《科学进展》去年刊登的一份新研究报告称，全球超过40亿人每年有至少一个月面临水资源严重短缺问题，受波及的人数占世界总人口三分之二，表明全球水资源短缺情况比原先估计更为严重。此前多个研究报告预测，全球受水源短缺影响的人口介于17亿至31亿。随着人口不断增长与用水量上升，缺水危机势必会进一步恶化。研究报告还提到，约有5亿人口的耗水量是他们居住地区全年降雨量的两倍，意味地下水水位急剧下降，大量人口的生存变得岌岌可危。这项按月进行的新研究对人类居住地周围约50公里以内的水资源进行分析，涵盖1996年至2005的10年数据，凡是用水量为补充水源的两倍以上即定义为水资源严重短缺。

面对日趋严重的水资源短缺，为了解决淡水供应问题，人类提出了跨区域调水和海水淡化等方法。但是无论从远处调水，还是淡化海水，成本都比较高，难以广泛使用，科学家转而寻找其他获取淡水的办法。事实上，大气中水的含量约有13000万亿升，总量是世界上所有江河水量的6倍多。其中大约2%作为降雨落到地面，剩余的98%依然处于水蒸气的状态。如果能够有效地加以利用，将会为解决水资源提供有效的解决方案。

人们无法从一块石头中挤出水来，但是从干燥的空气中“拧”出水来却是可能的。智利北部的阿塔卡马沙漠被认为是世界上最干旱的沙漠，那里的很多气象站从来没有过降雨记录。不过当地的气象研究员找到了一种简单实用的方法来获取水资源，用若干张大网来收集雾水。雾水在网上凝结成水珠，积少成多，收集到的水用于饮用和灌溉，让在沙漠中发展农业成为可能。智利一所高校的水源研究中心认为，如果能够扩大这种雾水收集装置的规模，那么就有可能在更大程度上改变沙漠干旱的环境，有助扭转当地沙漠化的现象。专家说，这种收集水的方法虽然简单，但是非常可行。他们还做了实验，证明收集雾水能将沙漠变成大规模的农田和花园。

以一个名叫查尼亚拉尔的村庄为例，当地居民用几十张特制黑色大网集水的场面蔚为壮观，形成了一道独特的风景。这种大网用聚丙烯网片制成，每张面积36平方米（12米×3米），用两根杆子支撑起来竖在沙漠里，收集水珠非常管用。虽然这里常常连续几年没有降雨，但是寒冷的近海气流会定期从太平洋上大量涌来。大网通过获取气流的水分后变得十分潮湿，水珠会附着在网上，慢慢集聚成一股股细细的水流，沿着特制的管道流到储存用的水箱中。一张大网一天能收集150升非常纯净的水，可供人放心饮用，也能用于农业灌溉。村子里的居民已经在沙漠里大面积种植芦荟，靠大网收集起来的雾水灌溉。而在此之前，这座村子的用水都是从数百公里远的安第斯山脉通过管道或用拉水的大卡车运送来的。

收集雾水用的大网由加拿大的非营利性组织“探雾”（FogQuest）制造，该组织实地考察后发现当地的大雾每立方米约含0.05～0.5克的水，具有收集利用的价值，平均每天可以提供12000升水。这种做法被当地居民广为接受，南美洲太平洋沿岸的秘鲁、厄瓜多尔和危地马拉等国家很多社区已经建造了捕雾大网，用来给新栽的树木供水。这种系统建立起来后，树木就可以通过叶子为自己收集雾气，在沙漠中重新创造以雾为基础的生态系统。

新技术低能高效

收集空气中的水分，这是一个老生常谈的话题，很多研究学者围绕这一课题做了大量的工作。传统的空气取水技术主要分为两种，一种是通过空气冷却器来实现。在湿空气与表面温度较低的冷却器接触的过程中，当温度低于空气露点温度时，空气中的水蒸气就会凝结，从而在冷却器表面产生一层水膜。另一种则是用吸湿性强的固体或液体干燥剂吸收空气中的水分，再加热解吸，凝结水蒸气得到淡水。

但现有的研究结果显示，若想从空气中收集水分，需要较大的空气湿度，通常都是在雾气中收集，而且还要消耗大量的能量。蒸汽湿度表示湿蒸汽中液态水分的重量占蒸气总重量的百分比，在一定的温度下一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥。水汽越多，则空气越潮湿。其中相对湿度指空气中水汽压与相同温度下饱和水汽压的百分比，或湿空气的绝对湿度与相同温度下可能达到的最大绝对湿度之比，也可指湿空气中水蒸气分压力与相同温度下水的饱和压力之比。绝对湿度表示，在标准状態下每立方米湿空气中所含水蒸气的质量，即水蒸气密度。

从理论上来说，利用吸收少许能量（如太阳光）就能完成空气中水分吸收和传递的材料，制成水吸收器件将是不错的选择。然而迄今为止仍然未开发出一条有效的能够在较低湿度条件下（20%以下）捕获并输送空气中的水资源的方案。怎样才能低能耗地从相对干燥的空气（相对湿度20%或更低）中捕获水分，仍然是个有待攻克的技术难题。最近传来的好消息说，美国科学家开发出了一种新技术，根本不需要接入电网，仅凭靠太阳就能从沙漠中抽取出水分。他们希望，用这种现代化设备为地球上最干旱、最贫困的地区带来纯净的饮用水。

新设备主要利用了一种有机分子与金属原子互相连接而构成的多孔复合材料MOF，可以通过无数个小孔吸取大量的水分。MOF由麻省理工学院（MIT）团队在加州大学伯克利分校（UCB）奥马尔·亚吉教授的实验室内研发完成。它是目前化学领域里发展最快的材料种类，已经创造出两万多种。小孔的化学属性和大小可以根据情况改变，捕捉特定种类的分子让它们通过。巨大的表面积提升了MOF材料高效的吸附能力，比如MOF-177的内表面积大约是每克5640平方米，相当于一个7140平方米的标准足球场地，巨大的表面积让它能和大量的分子结合。

奥马尔教授是MOF的开创者和开拓者，早在20年前就开发出了主要用于储存氢气的MOF材料。2014年，他和UCB团队利用锆和己二酸合成了一种可以用来吸附水的MOF材料。随后与MIT设备研究实验室负责人伊弗林·王以合作，利用这种新型MOF材料来开发一种水收集系统。根据分工，奥马尔UCB团队研究提升MOF材料的吸水性能，伊弗林则主攻收集系统。

实际上，奥马尔和伊弗林这套高效率的MOF水收集设备的工作流程并不复杂。晚上气温下降的时候，塑料匣子打开。空气通过多孔的MOF材料后，水分子就会被吸附在MOF表面上。到了白天，塑料匣子密闭，太阳光照的热量足以让MOF材料释放出水分子，转化为蒸汽脱离小孔，进入旁边相连的丙烯酸外壳中。底部的冷凝器会收集水滴，纯净水会通过漏斗流入容器中。随着温度逐渐升高，形成的水滴也越来越大。

特别值得一提的是，整个过程仅需要低密度的能量，正是这一新型MOF材料的突破之一。奥马尔和伊弗林合作团队将原型机放在20%湿度的空气环境和模拟的阳光条件下进行试验，也在户外屋顶进行了测试，证实了这种集水方式的可行性。在撒哈拉沙漠，平均湿度大约是25%。南美智利北部的阿塔卡马沙漠是地球上最干燥的地方，平均湿度仅17%。从理论上说，这套新型设备可以让人在水资源奇缺的沙漠中生存下来。

奥马尔和伊弗林2017年4月14日在《科学》杂志上发表论文，介绍合作团队在MOF用于水收集领域的成果。他们设计的介孔MOF-801，在接受每平方米1千瓦特强度的太阳光照射下，可以从潮湿空气中捕获水。当相对湿度为20%时，每公斤MOF可实现在没有外界能量供应时，每天收集2.8升水的效果。

以前的水收集技术只能在多云或是高湿度环境中使用，而MOF整个水收集过程无需太阳能板、电池或是其他外加能量。团队还打算继续改良该技术，锆的价格每公斤150美元（大约合1013人民币元），使得设备成本太高而无法广泛使用。合作团队已经在用铝替代锆的设计中获得初步成功。铝的价格是锆的1%，大大降低了未来水收集设备的成本。伊弗林表示，德国化工巨头BASF已将這种材料投入大大量生产，价格也在下降，很快就能开发出实用性产品。

这种新科技真的能为全球最干旱的地区带来希望吗？奥马尔提出，如果在设备上添加太阳板或是其他能量源，水的产生量就能加大，今后可以应用在工业或是农业领域，但最有可能的方向是让这些设备成为地球最贫困地区的日常家庭设备，让干旱地区人民摆脱缺水之苦。“我们的愿景是提供一种可以不用电力只利用太阳能就可以满足一个家庭的水收集设备，实验证明MOF水收集系统原理上可行。虽然MOF在水收集领域的应用最近刚刚出现，但成果显著。”奥马尔指出，“水是生命之源，在水资源污染和匮乏的当下，MOF水收集系统为人们缓解淡水紧缺的难题提供了值得借鉴的解决方案，未来依然有很大的提升空间。”