研究人员报告称，一台微波炉大小的集水器，即使在炎热干燥的沙漠中，也能直接从空气中获取所需的全部水分。
研究人员在一篇发表于《ACS Central Science》的论文中介绍了其集水器的最新版本。该装置在低湿度空气中，每天每千克（2.2磅）吸水材料可提取超过五杯（1.3升）的水。这种吸水材料是一种极为多孔的物质，称为金属有机框架材料（MOF）。这一产水量已超过维持生存所需的最低水量。
在加利福尼亚干旱的莫哈韦沙漠进行的为期三天的实地测试中，该集水器每天每千克（2.2磅）吸附材料可稳定产出0.7升水，相当于近三杯洁净纯净的H2O。这比集水器的上一版本提升了10倍。该集水器全天候24小时循环运作，由太阳能电池板和电池供电。
无水亦无忧
即便在沙漠中最干燥的一天，相对湿度极低，仅为7%，气温超过华氏80度，该集水器每千克MOF每天仍可产出六盎司（0.2升）的水。
“众所周知，要在低湿度环境下——相对湿度低于40%——从空气中凝结水分，就需要将空气冷却至冰点以下，即零摄氏度，而这在实际中并不可行。我们的集水器无需此类冷却，即可在极低湿度下实现这一过程，目前尚无其他材料能够做到这一点，”加州大学伯克利分校化学教授、凯夫利能源纳米科学研究所联合主任奥马尔·亚吉（Omar Yaghi）说道。
“这与除湿机不同，除湿机在高相对湿度下运行。有人说0.7升水并不算多。但如果你没有水，那它就是很多水了。”
亚吉创办的初创公司Water Harvester Inc.目前正在测试一款设备，并即将推向市场。该设备体积与微波炉相当，每天可供应7至10升水。根据美国国家科学院的建议，男性每天应摄入3.7升液体，女性每天应摄入2.7升，因此这些水量足以满足两至三名成年人每日的饮用和烹饪需求。
更大型的集水器体积与小型冰箱相当，每天可提供200至250升水，足以满足一个家庭的饮用、烹饪和淋浴需求。该公司还希望在未来几年内推出村庄规模的集水器，每天可产出20,000升水。所有设备均可由太阳能电池板和电池供电，或接入电网供电。
“我们生产的是超纯水，这种水有望在无需接入供水管网的情况下广泛供应，”化学学院讲席教授亚吉说道。“这种水的可移动性不仅对面临水资源压力的人群至关重要，也使实现更宏大的目标成为可能——水应当成为一项人权。”
金属有机框架材料助力实现
该集水器的核心成分是亚吉及其同事发明的一种金属有机框架材料。这种材料能够轻松快速地从空气中吸附水分，并同样轻松地释放出水分，以便收集。亚吉自上世纪90年代中期起开始研发这类材料，其多孔性极强，一克材料的表面积相当于一个足球场。其他类型的金属有机框架材料可用于从烟道气中捕获二氧化碳、催化化学反应，或在石化加工厂中分离石化产品。
研究人员于2014年首次研制出用于吸水的金属有机框架材料，命名为MOF-801。空气中的水分子附着于材料内表面——这一过程称为吸附——并使金属有机框架内部的湿度升高，直至水分在室温下即可凝结，正如湿度较高时水分会在较冷的表面上凝结一样。当金属有机框架材料被轻微加热时，水分会重新释放出来，并可被凝结和收集。
首款采用MOF-801的集水器于2017年问世，完全无需动力，依靠太阳能运行：它在夜间吸附水分，并于次日在阳光的热量作用下释放水分，水蒸气则在容器内表面凝结。
到2018年，亚吉团队已将这一概念验证装置发展为第二代集水器。在亚利桑那沙漠的一个昼夜周期内，该装置每天每千克金属有机框架材料可收集0.07升（略高于2盎司）的水，同样利用太阳热量驱动水分从材料中析出。
亚吉表示：“尽管产水量较低，但该实验表明，沙漠空气中的水分可以被富集到金属有机框架材料的孔隙中，通过阳光温和加热将其释放，随后在常温条件下凝结。”
新型号
2019年推出的型号不再依赖被动运行：它利用太阳能电池板为风扇供电，风扇将环境空气吹过装在滤芯内的金属有机框架材料，从而使更多的材料暴露于空气中。装满金属有机框架材料的滤芯约为10英寸见方、5英寸厚，内部贯穿两组通道：一组用于吸附水分，另一组用于将水分排出至冷凝器，从而实现全天候的持续循环。太阳能电池板与电池相连，使集水器能够在夜间运行，同时还为小型加热器供电，以驱使水分从金属有机框架材料中析出。
这款新型集水器的产水效率是上一代装置的10倍，比早期的概念验证装置高出100倍。研究人员未在水中发现金属或有机物的痕迹。
新装置产水效率的提升及循环时间的缩短，得益于一种新设计的金属有机框架材料MOF-303。与以锆为基础的MOF-801不同，MOF-303以铝为基础。MOF-303的持水量比MOF-801高出30%，在理想条件下仅需20分钟即可完成水分的吸附与脱附，而亚吉的初创公司已接近实现这一目标。
“MOF-303有两方面的突出表现：它的吸水量远高于我们此前报道的以锆为基础的金属有机框架材料，而且吸水速度也快得多，”亚吉说道。“这使得水分能够更快地进出材料；你可以将空气泵入装置，并在每天进行多次循环时收集水分。”
亚吉几乎每天都会收到来自世界各地的个人、机构和国家关于其集水器的咨询，其中许多来自中东、非洲、南美洲、墨西哥、澳大利亚以及地中海沿岸的干旱地区。亚吉本人来自另一个干旱国家约旦，他表示，长期缺水的沙漠国家十分看重该集水器的潜力。
“大气中任一时刻所含的水量，几乎与所有河流和湖泊的水量相当，”他说，“收集这些水分，有助于将干旱的沙漠变为绿洲。”
加州大学伯克利分校和南阿拉巴马大学的其他研究人员也参与了这项研究工作。集水器改进工作的大部分资金来自沙特阿拉伯的阿卜杜勒阿齐兹国王科技城（KACST），该资助是KACST与加州大学伯克利分校联合开展的合作项目——纳米材料与清洁能源应用卓越中心的一部分。
来源：加州大学伯克利分校
