【写作竞赛】高效淡水收集取得新进展

水是人类生命之源。由于世界人口的急剧增长和工业用水量的急剧增加,世界范围内出现了严重的水资源危机,对现代文明的发展提出了极大的挑战。低廉高效的淡水制备和收集是解决这种危机的有效途径。但是,传统的海水脱盐及废水回收二次加工的方法设备复杂,成本昂贵,不适用于内陆干旱地区。在沙漠、高山、高原等干旱缺水地区,如果能够将分散在夜间雾气等隐形水资源收集利用,进而转化成显性的可以直接利用的水资源,将对解决干旱地区的水资源短缺具有非常重要的现实意义。

近日,香港理工大学的忻浩忠教授带领的团队在高效的淡水收集利用方面取得重要进展。他们利用常见的棉花纤维作为基本原料,通过在上面负载一层高分子(聚(N-异丙基丙烯酰胺),PNIPAAM),形成一种海绵状材料。这种材料根据气温的变化就可以自动实现空气中水蒸气的自动收集与释放,其捕水能力达到3.4 L/kg,并且还具有很好的可逆性和循环使用性能。相关研究发表在最近的 Advanced Materials上(Adv. Mater. 2013, 25, 1150-1154)。

PNIPAAM是一种对温度变化非常敏感的高分子,随着温度的变化,其结构会发生相应的变化。忻教授研究团队将这种高分子负载到棉花纤维上,制备出一种具有很高比表面积的海绵状材料。在较低的温度下(16oC),这种材料具有很高的比表面积,并且呈现出很强的亲水性,周围空气中的水蒸气很容易在上面发生凝结,从而实现高效捕水的过程。随着温度的升高,其结构就会发生变化,逐渐由亲水性变为疏水性,储存在其中的水分便会自动释放出;当温度超过40 oC时,这种材料便完全失去捕水能力。这种捕水能力随温度变化而变化的材料为沙漠、高原等干旱地区的高效水资源利用提供了新的途径。设想一下,在干旱地区,由于晚上温度低(一般在20 oC以下),空气湿度相对较大,这种材料的捕水能力也正处于高峰,因此可以从周围的空气中捕集大量的水分储存起来;到了白天,温度上升,就可以将夜间捕集的水自动释放出来。由于这种捕水材料的基本原料是棉花,成本低廉,并且制备过程简单,在将来有望实现批量生产,这就为在温差较大的干旱地区建造一套大规模自动捕水的装置提供了可能。此外,由于可以这种材料可以实现自动捕水与放水,这就大大节省了动力装置,为解决干旱地区水资源短缺提供了新途径。