MIT打造大氣水收集器，成功生成濃度低于0.06ppm的安全用水

美國加州的死亡谷（Death Valley）年降雨量不足 50 毫米，部分年份甚至無降雨。1849 年，一隊淘金者試圖穿越山谷，因惡劣氣候導致有人喪生，幸存者離開時感嘆“再見，死亡谷”，該山谷的名字便是由此而來。但正是這樣一個干旱缺水之地，美國麻省理工學院趙選賀教授和團隊打造出一款被動式大氣水收集器（AWHW，Atmospheric Water Harvesting Window），它能在極端氣候之下工作，并在死亡谷的實地測試中展現出卓越的日產水量，當相對濕度在 21% 至 88% 范圍內時，日產水量可達 57.0 毫升至 161.5 毫升，高于所有以往被動式大氣集水系統（SAWH，Sorption - based Atmospheric Water Harvesting）以及一些主動式系統。

（來源：https://newatlas.com/technology/mit-water-harvester）

并且，AWHW 無需電源或過濾器，使用壽命至少為 1 年，所收集的水符合嚴格的安全標準，能生成鋰離子濃度低于 0.06ppm 的安全用水，符合美國地質調查局和美國環保局制定的指導方針。

（來源：https://newatlas.com/technology/mit-water-harvester）

AWHW 還是一種完全被動、實用且可規模化的系統。經更多測試之后，研究團隊發現它可以從低至 18% 到高于 90% 的較為廣泛的相對濕度范圍內發揮作用，有望解決北非等地區的物理水資源短缺問題和印度北部等地區的經濟水資源短缺問題。

這項技術不僅首次展示了被動式米級吸附式大氣集水系統，還在日供水量和各種天氣條件下的適應性方面樹立了新的標準。

22 億人的水資源短缺問題亟待得到解決

當前，全球超過 22 億人面臨水資源短缺問題，這一情況在欠發達地區、內陸地區或沒有電網的地區尤為突出。

基于被動吸附劑的大氣集水器，為把無處不在的大氣水分轉化為液態水提供了一種有前景的解決方案。然而，目前的方法受到低產水量（每天幾毫升）、不安全鋰離子釋放和低相對濕度條件下效率低的限制。

為此，研究團隊打造了這種名為 AWHW 的大氣水收集器，這是一種安全可控的基于吸附的大氣集水系統，并采用垂直折紙狀水凝膠面板和窗式太陽能蒸餾器。

其設計涵蓋了三個關鍵層級。在材料上，其采用超穩定吸濕性水凝膠；在結構上，通過垂直折紙陣列結構增強了水分吸附/脫附動力學性能；在裝置上，窗體式冷凝器表面覆有透明輻射制冷薄膜。

圖 | AWHW 的外觀（來源：Nature Water）

也就是說，AWHW 包括一個垂直定向的吸附板，以及一個用作太陽能蒸餾器的玻璃窗。它按照晝夜工作周期運行，在夜間吸水、在白天解吸并收集水，并且無需任何電力輸入。

吸附板由一種超穩定的吸濕性水凝膠構成，在組成上該水凝膠包含聚乙烯醇（PVA，poly（vinyl alcohol）基質、作為吸濕劑的氯化鋰（LiCl）、作為相穩定劑的甘油以及作為光吸收劑的黑色墨水。

（來源：Nature Water）

這種獨特的垂直吸附板可從其兩側進行水分吸附與解吸，與水凝膠膜或粉末的傳統水平結構相比，這種方案更有可能讓水分吸收和蒸發速率翻倍。

此外，研究團隊創建了一個圓頂形折紙陣列，以便通過增加有效表面積，進而增強吸水/解吸的動力學性能。

根據克勞修斯-克拉佩龍方程，窗式腔體內的封閉空間更易發生冷凝現象。因此，研究團隊將垂直吸附板集成到窗式太陽能蒸餾器中，以便提供一個優化水蒸發和冷凝的內部環境。與此同時，與金字塔形或三角形腔體相比，90° 的傾斜角度可使水滴收集過程更加順暢。

鑒于 AWHW 直接暴露在天空下，研究團隊在窗玻璃上涂上一層由極化聚偏氟乙烯-六氟丙烯（p-PVDF-HFP）制成的透明被動輻射冷卻材料。這種涂層保持著較高的太陽透明度，使吸附板能夠有效利用太陽能進行光熱水蒸發，同時允許通過 8 微米-13 微米波長的熱輻射將熱量持續散發到四周。

與使用裸玻璃作為冷凝表面相比，研究團隊觀察到溫度降低了約 0.5℃–1°C，這有助于在其附近形成更低的蒸氣壓，從而促進水的再冷凝。

此外，AWHW 包含一個鋁制底座，它充當了一個高效散熱體，能顯著促進水蒸氣再冷凝過程，尤其是在白天太陽輻射下。

先后在美國加州死亡谷和美國麻省開展實地集水測試

基于超穩定 PVA-LiCl-甘油水凝膠板優異的吸水性和光熱蒸發性能，研究團隊又開發了一種米級 AWHW，其尺寸為 0.56 米（長）×0.4 米（高）×0.12 米（寬），配備一塊 0.47 米（長）×0.34 米（高）×1 毫米（厚）的吸附板。然后，他們將該系統于 2023 年 11 月初在美國加州死亡谷進行測試。

通過動態蒸氣吸附（DVS，dynamic vapour sorption）分析得出的 20% 相對濕度下的吸水等溫線以及原位測量，均證實了研究團隊的水凝膠在極端干旱條件下具有卓越的吸水能力。

如下圖所示，設備按晝夜循環運行，夜間吸水，白天解吸水分。值得注意的是，2023 年 11 月 2 日晚在死亡谷，吸附板收獲了 106.0 克水，較其干重增加了 81.8%。

（來源：Nature Water）

相對濕度和溫度曲線如下圖所示，其中相對濕度范圍為 18% 至 24%，這表明濕度非常低。從上午 7:30 到下午約 5:00，量筒中收集到 57.0 毫升水，熱效率為 9.3%。太陽通量峰值為 471.5 瓦/平方米，環境溫度最高達 32.0℃。

（來源：Nature Water）

利用窗玻璃上的輻射冷卻涂層和鋁制底座的強大散熱能力，AWHW 腔體將內部溫度維持在 41.6°C 以下。盡管 PVA-LiCl-甘油水凝膠在陽光下的溫度峰值達到 78.6°C，但這仍能確保水蒸氣在窗表面持續冷凝。據他們所知，這是吸濕水凝膠在如此低的相對濕度下產水的首次實際驗證。

而在實際應用場景中，氣象條件會呈現季節性變化特征。例如，在摩洛哥南部的瓦爾扎扎特，相對濕度跨越很大，比如當地在 2021 年 12 月的濕度為 97.0%，在 2022 年 7 月的濕度為 7.3%。這種變化凸顯了太陽能大氣集水技術需要適應不同氣候的必要性。

為此，研究團隊在環境模擬艙中設置了 88% 的相對濕度條件進行夜間水分吸附實驗，并于 2023 年 11 月 6 日在死亡谷開展了日間光熱蒸發測試。結果發現，吸附板捕獲了 211.2 克水，重量增加了 163.0%，白天收集到 161.5 毫升水，熱效率為 26.4%。

（來源：Nature Water）

這一結果表明，在相對濕度較高的情況下，AWHW 的水產量較高，超過了所有其他被動式太陽能大氣集水裝置。因此，AWHW 可以在 18%-90% 的寬泛相對濕度范圍內高效集水，從而實現全年適用性。

這也說明 AWHW 在長期低濕度的物理性缺水地區具有應用潛力，同時也能緩解印度北部等高濕度地區的經濟性缺水問題，從而將其適用性擴展到干旱地區之外。

除了在死亡谷進行實地測試之外，研究團隊還于 2023 年 7 月在美國麻省劍橋市的一個城市環境中測試了 AWHW，那里的相對濕度更高。

期間，研究團隊構建了一個尺寸為 28.0 厘米（長）×6.4 厘米（寬）×31.5 厘米（高）的 AWHW 裝置，其吸附面板厚度經吸附/脫附動力學和水分捕獲能力優化后確定為 1.8 毫米。

值得注意的是，盡管采用了無孔材料設計，但吸附動力學依然足夠快，使吸附面板在 10 小時的吸水期內接近穩定狀態。基于 AWHW 的晝夜工作循環機制，它在 2023 年 7 月 28 日產出 56.5 毫升水，實現了 1.26 升/平方米/天的極高面積產水率，這一性能超越了此前最先進的被動式大氣水收集器。

與此同時，單位面積產水速率會根據當地環境條件而變化，包括夜間相對濕度、太陽輻照度、環境溫度和風速。數據顯示，AWHW 表現出卓越的氣候適應性和可擴展性，使其能夠輕松實現定制以便滿足特定的當地環境條件。

總之，AWHW 代表了一種開創性的、安全、可擴展的大氣集水解決方案，為日常水生產和氣候適應性設定了基準，在為水資源最緊張的地區提供實用、可擴展、安全和可持續的分散式供水解決方案上取得了進步。當然，這些水量遠不足以完全滿足人們的飲水需求，因此研究團隊認為在缺水地區部署一系列垂直排列的水凝膠面板，或許能產出更大量的水，從而足以支撐一整個家庭的用水需求。

參考資料：

Liu, C., Yan, XY., Li, S.et al. A metre-scale vertical origami hydrogel panel for atmospheric water harvesting in Death Valley.Nat Water(2025). https://doi.org/10.1038/s44221-025-00447-2