利用可再生能源進行淡水生産用于飲用以及灌溉，是滿足日益增長的水、能源和食品需求的關鍵。大氣水作為一種無處不在的自然資源，其儲量估計是全球河流淡水總量的六倍。此外，由于全球變暖，其可用量預計将增加。太陽能驅動的大氣水提取（SAWE）已成為分散式淡水供應的極具前景的方法，特别适用于偏遠和缺水地區。然而，以往的SAWE系統通常面臨吸濕材料動力學緩慢的限制，每天隻能進行一個吸附-解吸循環，即夜間捕捉水分，白天生産淡水。是以，這些系統的生産能力本質上受到吸濕劑吸附容量的限制。通過開發具有快速動力學的吸濕劑或吸附床，采用多循環系統可以克服這一限制。盡管已經取得了令人鼓舞的進展，但這項技術的廣泛使用仍受到納米材料高成本和原型放大難度的制約。此外，由于其周期性特征，這些系統在陽光下隻能間歇性地生産水，轉換循環需要主動系統或勞動密集型操作和輔助移動部件，進而導緻能耗高且系統複雜。為了充分利用SAWE的巨大潛力，需要一個真正被動且可擴充的系統，能夠高效地産生淡水，而無需勞動密集型的維護。
為此，KAUST研究團隊提出了一種獨立運作的SAWE系統，能夠僅依靠陽光生産淡水且無需維護。該系統在1個光照，90%相對濕度條件下生産淡水的速率為0.65 L m⁻² h⁻¹，并且在相對濕度低至40%的環境中也能持續運作。模拟結果表明該系統适用于大多數地區，尤其是太陽輻射豐富和濕度高的赤道地區，最高淡水生産潛力可達4.6 L m⁻²每天。放大後的系統能在不同季節的天氣條件下穩定運作，無需操作，達到約3.0 L m⁻²每天的最佳水生産率。通過該系統收集的大氣水成功用于Brassica rapa（白菜）的離網灌溉，凸顯了其在缺乏大型水源的地區進行現場離網灌溉的潛力。該研究以題為“A solar-driven atmospheric water extractor for off-grid freshwater generation and irrigation”的論文發表在最新一期《Nature Communications》上。
【系統設計】
圖1a展示了所提出系統的設計，強調了其關鍵特征—傳質橋（MTBs）結構。該結構由衆多垂直排列的微通道組成，這些微通道中充滿了用作液體吸附劑的鹽溶液。根據溫度分布（圖1b-I），MTBs結構被分為兩個功能區域：暴露在環境中的室溫區域，用于連續大氣水捕捉（圖1a中的過程I），以及密封在腔室内的高溫區域，用于淡水生成（圖1a中的過程II-IV）。在運作過程中，室溫區域捕捉大氣水并将其儲存在容器中。當系統受到陽光照射時，太陽能吸收器将光轉化為熱，并在高溫區域生成濃縮蒸汽。釋放的蒸汽在腔室壁上凝結，産生淡水。随着水生産的進行，儲存在容器中捕獲到的水蒸發至高溫區域，確定蒸汽的連續高效生成。同時，高溫區域的濃縮液體吸附劑通過擴散和對流被運輸回室溫區域，使其能夠繼續捕捉大氣水（圖1b-II）。通過将凝結的水滴引導至植物根部，該裝置可以僅使用大氣水進行離網灌溉（圖1c）。
圖 1 系統設計以及工作原理。
【材料表征】
由于光捕獲微結構和碳納米管（CNTs）的固有黑色特性，所得太陽能吸收器在濕态下的太陽能吸收率可達約96%（圖2a）。由于其親水性和交織的纖維結構（圖2b），玻璃纖維膜（GFM）被用于制造MTBs。GFM能夠快速運輸水（圖2c），在10分鐘内将水提升至超過10厘米的高度，并在2小時後達到約27厘米的高度。值得注意的是，水的吸收量随着毛細上升高度線性增加（圖2c）。如圖2d所示，飽和的LiCl溶液可以在RH低至15%時捕捉水分子，并在RH增加到90%時其吸附容量達到約2.5 g g⁻¹。此外，随着RH的降低，LiCl溶液捕捉的水分可以高效釋放且無滞後現象。
圖2 建構系統的材料表征。
【産水性能評估】
在1日照條件下運作8小時，系統産生了約1.8毫升的淡水，同時從環境中捕獲了約1.5克的大氣水（相對濕度為65%）。這相當于約0.22升每平方米每小時的水生産率（圖3b）。在60%和70%相對濕度條件下，水生産率在初始階段下降，但在80%和90%相對濕度的初始階段增加。這一變化強調了系統對環境條件的适應性（圖3c）。在免維護操作模式下，該系統在一年中超過一半的時間内是可行的，最高水生産率達到約0.56 L m⁻² h⁻¹（圖3d）。并且該系統的免維護操作模式非常适合具有豐富太陽輻射和高濕度的赤道地區（圖3e）。
為了驗證所提出的SAWE系統在實際應用中的效果和實用性，研究團隊制作了一個用于戶外實驗的大型系統（蒸發面積：13.5 cm × 24 cm）（圖4）。根據系統的投影面積，計算得出的水生産量約為2.9 L m⁻² 每天。
圖3 在可控環境下的性能評估。
圖4 戶外性能評估。【植物灌溉】來自SAWE系統的水被收集并儲存以便于夜間進行滴灌，選擇了白菜作為代表植物進行種植（圖5）。
圖5 使用從空氣中提取的水進行灌溉。總結：作者提出了一種經過合理設計的SAWE系統，旨在實作高性能的淡水生産和離網灌溉。與傳統的大氣水收集系統不同，所提出的原型消除了對複雜系統設計和繁重操作的需求。該設計的關鍵在于利用太陽能驅動的蒸發作用及其産生的濃度梯度，以促進MTBs結構中水分與吸附劑之間的自發平衡。該系統能夠以離網和低維護的方式提取大氣水，并直接供給植物，有望革新偏遠和缺水地區的灌溉方式。
--檢測服務--
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50715-0來源：高分子科學前沿