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在麻省(sheng)理工學院的屋頂上測試了一種新型的兩級集(ji)(ji)水(shui)系統(tong)(下圖右)。該設(she)備連(lian)接到一臺筆(bi)記本(ben)電腦進行數(shu)據采集(ji)(ji)，并朝向太陽，頂部有一塊黑色的太陽能(neng)收集(ji)(ji)板，由此(ci)產生的水(shui)流入底部的兩根(gen)管子。

麻省理工學(xue)院(yuan)工程師們使他們的最初(chu)設計(ji)更加實(shi)用、高效和可擴展。

麻省(sheng)理工學院(yuan)和其(qi)他地(di)方的(de)研(yan)究人員已經顯著提(ti)高(gao)了(le)一個系統(tong)的(de)產量(liang)，這(zhe)個系統(tong)可以利用(yong)太陽或(huo)其(qi)他來源(yuan)的(de)熱量(liang)直接(jie)從空氣中提(ti)取(qu)飲用(yong)水，即使在干旱地(di)區也是(shi)如此。

該系統(tong)建立在麻省(sheng)(sheng)(sheng)理工學(xue)院(yuan)同一團隊的(de)(de)成員三年(nian)前最初開發的(de)(de)設計基礎上，使該過程更接近(jin)于為缺水和(he)電力有限的(de)(de)偏遠地(di)區提供實用(yong)的(de)(de)水源。這(zhe)些發現今天(2020年(nian)10月14日)發表在《Joule》雜志(zhi)上，由麻省(sheng)(sheng)(sheng)理工學(xue)院(yuan)機械(xie)工程系主(zhu)任Evelyn Wang教授發表的(de)(de)一篇論文中描述。研究(jiu)生阿麗娜·拉(la)普丁;還有六名來自(zi)麻省(sheng)(sheng)(sheng)理工學(xue)院(yuan)，韓國和(he)猶(you)他州。

早期(qi)的(de)(de)(de)設備證明了小王和她的(de)(de)(de)同(tong)事們提(ti)供了一(yi)個概念(nian)驗證的(de)(de)(de)系統,就是利用(yong)設備內的(de)(de)(de)溫差(cha)(cha)讓一(yi)種吸(xi)附(fu)劑材(cai)料(liao)——收集液(ye)體表面畫在空氣中的(de)(de)(de)水分第二天晚上和釋放它。當材(cai)料(liao)被(bei)陽光加熱(re)(re)時，被(bei)加熱(re)(re)的(de)(de)(de)頂(ding)部(bu)和被(bei)遮蔽的(de)(de)(de)底部(bu)之間的(de)(de)(de)溫差(cha)(cha)使(shi)得水從吸(xi)附(fu)劑材(cai)料(liao)中釋放出來。然(ran)后水在收集板上凝結。

但(dan)這個裝(zhuang)置需要(yao)使用(yong)(yong)一種叫做金屬有機(ji)框架(MOFs)的(de)(de)特殊(shu)材料，這種材料價格昂貴且(qie)供應有限(xian)，而(er)且(qie)該系統的(de)(de)水輸(shu)出量不足以滿足實(shi)際系統的(de)(de)需要(yao)。研究(jiu)人員說(shuo)，現在，通過采用(yong)(yong)第二階段的(de)(de)解吸和冷凝，并(bing)使用(yong)(yong)現成的(de)(de)吸附劑(ji)材料，該設備的(de)(de)產(chan)量已經顯(xian)著提高，其可擴展性也得到了極大(da)的(de)(de)提高。

Wang說團隊覺得“有一個(ge)小的(de)原型很好，但是我們怎樣才能把它變成一個(ge)更(geng)可擴展(zhan)的(de)形式呢?”“設計和材(cai)料方面的(de)新進展(zhan)現在已經(jing)導致(zhi)了這一方向(xiang)的(de)進展(zhan)。

新的設(she)計使(shi)用(yong)一種(zhong)叫(jiao)做沸(fei)(fei)石的吸附劑(ji)材料，而(er)(er)不是(shi)MOFs，在這種(zhong)情況下，沸(fei)(fei)石是(shi)由微孔(kong)鐵鋁磷酸酯組成。這種(zhong)材料可廣泛使(shi)用(yong)，穩定性好，而(er)(er)且具有合適的吸附劑(ji)性能(neng)，僅根據典型的晝夜溫度波動和陽光(guang)加(jia)熱(re)就能(neng)提供高效(xiao)的產水系統。

拉普丁(ding)開發的(de)兩階段(duan)設計(ji)巧妙(miao)地利用了水在(zai)變化階段(duan)時產生的(de)熱(re)(re)量。盒(he)子狀系(xi)統頂(ding)部的(de)太陽能吸(xi)收(shou)板(ban)收(shou)集(ji)太陽的(de)熱(re)(re)量，加熱(re)(re)沸石(shi)，釋(shi)放出(chu)該材料(liao)在(zai)夜間捕獲的(de)水分(fen)。蒸汽(qi)在(zai)集(ji)熱(re)(re)器上(shang)凝結——這個(ge)過程也會釋(shi)放熱(re)(re)量。收(shou)集(ji)板(ban)是一(yi)(yi)塊銅片，直(zhi)接(jie)在(zai)上(shang)面，并(bing)與(yu)第(di)二沸石(shi)層(ceng)接(jie)觸，在(zai)那(nei)里冷凝熱(re)(re)被用來釋(shi)放蒸汽(qi)從下一(yi)(yi)層(ceng)。從每一(yi)(yi)層(ceng)收(shou)集(ji)到的(de)水滴可以匯集(ji)到一(yi)(yi)個(ge)收(shou)集(ji)槽中。

在(zai)這個過(guo)程中(zhong)，系統的整體生產力，就其(qi)每(mei)天每(mei)平(ping)方米太陽能收集面積(LMD)的潛(qian)在(zai)升來(lai)說，大約比早(zao)期(qi)版本翻了一番，盡管(guan)確切(qie)的比率(lv)取決于當地(di)的溫度(du)變化(hua)、太陽通量(liang)和濕度(du)水平(ping)。王說，在(zai)大流(liu)行(xing)限(xian)制(zhi)之前，新系統的最初原型在(zai)麻省(sheng)理工學院的屋頂(ding)上進行(xing)了測試(shi)，該設備的出水速(su)度(du)比早(zao)期(qi)版本高出“數量(liang)級”。

王說(shuo)，雖(sui)然類似的兩階段系統(tong)已(yi)經(jing)被用(yong)(yong)于其(qi)他(ta)應用(yong)(yong)，如(ru)海水淡化，但“我認為還沒有(you)人(ren)真正追求(qiu)這(zhe)種(zhong)方(fang)法”，將這(zhe)種(zhong)技術用(yong)(yong)于大氣水收集(AWH)。

現有的AWH方法(fa)包(bao)括霧(wu)收(shou)(shou)(shou)集(ji)(ji)和露水收(shou)(shou)(shou)集(ji)(ji)，但都(dou)有明顯的局限性(xing)。霧(wu)收(shou)(shou)(shou)獲僅適用于相(xiang)對濕度(du)100%,目(mu)前只在(zai)少數沿海沙漠,當(dang)露水收(shou)(shou)(shou)集(ji)(ji)需要(yao)能(neng)源密集(ji)(ji)型制冷提供冷表面的水分凝(ning)結,仍然(ran)需要(yao)至少50%的濕度(du),這取決于環境溫度(du)。

相(xiang)比之下(xia)，新系統可(ke)以在(zai)濕度低至20%的情況下(xia)工作(zuo)，除了(le)陽光或其他可(ke)用的低等級熱源(yuan)外，不需要(yao)任何能(neng)源(yuan)輸入。

拉(la)普丁說(shuo)，關鍵(jian)是這個兩階(jie)段的(de)架(jia)構;現在，它的(de)有效性(xing)已經被證明，人(ren)們可(ke)(ke)以尋找(zhao)更好(hao)的(de)吸(xi)附(fu)劑材(cai)料(liao)，可(ke)(ke)以進(jin)一(yi)步提高(gao)生(sheng)產(chan)率。她說(shuo)，目(mu)前每平方(fang)米每天約0.8升水的(de)產(chan)量(liang)在某(mou)些應用中(zhong)可(ke)(ke)能(neng)足夠(gou)，但如果通過進(jin)一(yi)步的(de)微調(diao)和(he)材(cai)料(liao)選(xuan)擇可(ke)(ke)以提高(gao)這一(yi)產(chan)量(liang)，這可(ke)(ke)能(neng)會成(cheng)為(wei)大規模(mo)的(de)實際應用。王(wang)說(shuo)，已經有一(yi)種(zhong)材(cai)料(liao)正(zheng)在開發中(zhong)，這種(zhong)材(cai)料(liao)的(de)吸(xi)附(fu)力比這種(zhong)特(te)殊的(de)沸(fei)石大5倍，并可(ke)(ke)能(neng)導致相(xiang)應的(de)水產(chan)量(liang)增加。

該小組繼續改進該設備的(de)材料(liao)和設計(ji)，并使其適應特定應用，例如用于(yu)軍事野戰(zhan)的(de)便攜式(shi)版本。這種兩級系統(tong)也可以適用于(yu)其他類型的(de)集水方法，這些(xie)方法每天使用多個熱循(xun)環，由(you)不(bu)同的(de)熱源提(ti)供熱量，而不(bu)是陽(yang)光，因此可以產生更高的(de)日產出。