如今，全球有超过22亿人无法获得安全饮用水，预计到2050年这一数字将飙升至50亿。在许多欠发达、内陆 或离网地区 ，水源短缺和基础设施薄弱使危机雪上加霜。为应对这一挑战，从空气中直接提取水分并将其冷凝成可饮用水，成为一项在极端环境中缓解缺水问题的可持续解决方案。目前已有多种基于吸附剂的大气取水技术（SAWH）被提出，如金属有机框架（MOFs）和富含吸湿盐的等材料。MOF系统能在极干燥环境下（相对湿度低至14%）迅速吸水富明配资，但由于其微孔结构无法膨胀，水捕获能力受限。相比之下，多孔水凝胶可通过体积吸收大量水分，且其微纳米多级孔道结构有助于加快吸脱水过程。然而， 当前水凝胶 SAWH系统存在两大安全隐患：其一是盐溶液泄漏，其二是采集水中 锂 离子（Li ⁺ ）浓度超标 ，超过美国地质调查局（USGS）与环保署（EPA）制定的饮水安全标准，限制了其实际应用推广。
在此， 美国麻省理工学院 赵选贺团队 研究 展示了一种“窗式大气取水装置（AWHW）”，结合垂直折叠水凝胶面板与类窗户的太阳能蒸馏结构，可在无能耗的情况下 实现米级规模 的取水 。该装置已在极端干旱的美国死亡 谷进行 了实地测试， 在相对湿度为21%至88%的环境下，每天可稳定产水57.0–161.5 ml 。该设备使用寿命至少达1年，产出的水中 锂 离子浓度低于0.06 ppm，符合饮用安全标准。AWHW在日取水量与适应多变气候方面设立了新标杆，展现出其在全球极端缺水地区推广的潜力，为实现可持续、分布式、安全供水提供了实用可行的解决方案。 相关成果以“ A metre -scale vertical origami hydrogel panel for atmospheric water harvesting in Death Valley ”为题发表在 《N ature W ater 》 上，第一作者为 Chang Liu, Xiao-Yun Yan 和 Shucong Li 为共同 一 作。
被动式AWHW
作者 提出了一种新型安全的大气取水窗（AWHW）系统（如图1a、c所示），在材料、结 构和装置三个层面实现高效无电耗的水收集： 使用超稳定的吸湿水凝胶、垂直折纸结构提高吸附/释放效率，并结合带有辐射冷却涂层 的窗状冷凝器 。该系统通过昼夜循环工作（夜间吸湿、白天蒸发冷凝），在美国死亡谷测试中，在21%至88%湿度下每天可稳定产出57–161.5毫升安全饮用水，远超以往被动式系统，并达到美国饮水安全标准（锂离子低于0.06 ppm，图1d）。垂直结构和折纸阵列显著增加了有效吸湿面积和水分动力学性能，而冷凝窗上的透明冷却膜则通过辐射降温（降低0.5–1℃）提升冷凝效率。此外，铝制底座还进一步增强了白天的冷凝效果。这种低成本、可扩展、全天候适用的系统为干旱或基础设施薄弱地区提供了实用的分布式取水解决方案。
图 1：AWHW 的特点和用该设备收集的水富明配资
超稳吸湿性水凝胶
本研究开发了一种超稳定吸湿水凝胶（图2），为AWHW系统提供关键材料支持。常规的PVA–LiCl水凝胶在吸水/脱水循环中易发生LiCl结晶与盐液泄漏，尤其在垂直使用时更明显（图2a、e），这会阻碍水凝胶的膨胀并降低吸湿性能。为解决这一问题， 研究人员引入甘油作为相稳定剂，与PVA和LiCl构成三元体系，显著抑制了盐分相分离与结晶 （图2f、 g、 i ），即使在70℃高温下10小时也能保持LiCl的均匀分布。得益于这种稳定性，PVA–LiCl–甘油水凝胶可在垂直结构中使用超过340个昼夜循环而不出现浮液（图2j），性能保持90%以上，预计寿命达1年。实验检测显示，系统采集的水中Li + 浓度始终低于0.06 ppm的安全标准（图1d），远低于以往多孔凝胶中20–100 ppm的水平。此外，该材料还支持多种结构设计，通过毫米级厚度与双面暴露的竖直配置大幅提高水捕获效率，为高性能、安全可靠的大 气水 收集提供了坚实材料基础。
图 2：超稳吸湿性水凝胶
PVA-LiCl-甘油折纸水凝胶富明配资
为进一步提升水凝胶的吸附与蒸发效率，研究人员在PVA–LiCl–甘油水凝胶中设计出穹顶状折纸阵列结构（图3）。 这种结构在水凝胶干燥固化时自动收缩成预设形状，吸水膨胀后则自然鼓起形成折纸阵列（图3b），有效提升表面积。 图3c展示了膨胀态与干燥态 表面积比随初始 几何参数的变化趋势，实验中优化后的水凝胶可达表面积提升约2.2倍，微CT实测也显示其比平面结构大约增加3.1倍表面积（图3e）。在低湿度下鼓起效果会减弱，因此采用初始更拱起的几何设计（即更大的 d/L 比）有助于维持较高的表面积比。实际光照蒸发测试表明， 该折纸结构的水凝胶在1 太阳照强下 的蒸发速率达到1.15 kg m ⁻ ² h ⁻ ¹ ，比普通平面凝胶提高了120% （图3f），接近理论极限。这主要归因于其增强的有效表面积和独特的周期性结构可回收热量，减少热辐射损失。温度分布图显示，在光照下，折纸的谷底区域逐渐升温超过顶端，形成“热谷冷顶”现象（图3g、h），促进局部热传导，提高光热蒸发效率。
图 3：水凝胶折纸阵列的设计
作者 基于超稳定PVA–LiCl–甘油水凝胶的高吸水性和优异的光热蒸发性能，开发出 一个米级 AWHW，尺寸为0.56×0.4×0.12米（图1a）。该设备在美国加州死亡 谷进行 了实地测试，即使在低至18%的极端干燥环境下，也能在夜间吸收水分并在白天释放水蒸气并冷凝成水（图4a）。例如，2023年11月2日夜间，吸附板吸收了106 g 水，相当于其干重增加了81.8%； 白天共 收集57毫升饮用水，热效率达9.3%（图4l）。更高湿度下表现更佳，在88%相对湿度环境下吸收211.2克水，并在死亡 谷完成 白天蒸发，最终收集161.5毫升水，热效率提升至26.4%。测试还表明，装有辐射冷却膜的玻璃窗和铝制底座可有效控制内部温度，促进水汽冷凝，即使水凝胶温度升至78.6℃，内部温度仍低于41.6℃，确保高效取水过程（图4i）。此外，研究团队还在美国剑桥进行城市测试，AWHW在1.26升/平方米/天的速率下稳定产水，表现优于多数现有SAWH系统（图4j、m）。整体而言，该系统可适应从18%到90%以上的湿度变化，适用于干旱地区如北非，也能应对湿润但水资源匮乏的地区如印度北部，展现出出色的气候适应性和应用前景。
图 4：AWHW 在死亡谷的运行
小结
研究团队开发的“大气取水窗”（AWHW）是一种安全、可扩展的大 气水 资源获取新方案。 其核心材料为超稳定的PVA–LiCl–甘油水凝胶，能有效避免吸湿剂转化为液体或 蒸气 ，从 而大幅提升系统的安全性与稳定性 。该系统采用垂直排列的水凝胶吸附板，结合自成形的折纸阵列结构，大大加快了水的吸附与释放速度；同时配备窗户式太阳能蒸馏器和透明辐射冷却膜，兼顾高效光热蒸发和冷凝性能（图1）。在加州死亡谷的实地测试中，AWHW在21%至88%相对湿度下每日可产水57.0至161.5毫升，表现优于所有现有无电源SAWH装置，适用于从极端干旱到高湿地区的广泛气候。作为首个 实现米级无 电动水凝胶取水的设备，其稳定性与适应性在严酷环境中得到了验证。技术经济分析显示，AWHW设备在高湿或低湿环境下分别仅需约9天和25天即可收回成本。按照世界卫生组织标准，若在20% RH的极端干旱地区每天为一位成年人提供5.3升饮水，只需8个1×2米的AWHW装置，占地约16平方米即可实现。这一成果为解决全球水资源短缺提供了高效、灵活的新方向。
来源：高分子科学前沿
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