《Nature Water》德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華：纖維素凝膠從空氣中取水！

到2030年實現聯合國可持續發展目標中的“人人享有安全飲水”，仍然面臨巨大挑戰。過去十年，全球安全管理飲用水覆蓋率雖然從68%提升到74%，但仍有約21億人無法獲得安全飲水；按照當前速度，到2030年也只能達到約77%。傳統供水體系高度依賴地表水和地下水，還需要大型凈化設施、管網輸送和穩定能源，這對于偏遠、分散、基礎設施薄弱的地區并不友好。空氣中其實蘊藏著一個持續更新的“隱形水庫”，其含水量甚至超過全球河流總量的六倍以上。問題在于，如何把空氣取水真正做成可攜帶、只靠太陽驅動、并且每天能產升級水的實用系統。

今日，德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華教授課題組報道了一種野外便攜、太陽能驅動、升級規模的大氣水收集系統。該系統以層級多孔纖維素凝膠織物為核心吸濕材料，將其組裝成緊湊的卷繞式通道化吸附模塊，再與太陽能集熱脫附裝置和流向引導冷凝器耦合，解決了長期困擾空氣取水裝置的“便攜性”和“產水量”難以兼得的問題。在美國奧斯汀約62%相對濕度條件下，雙模塊一天產水1.3 L，面積產水率達到4.7 L m?2 d?1；在約26%相對濕度的奇瓦瓦沙漠中，系統仍能實現4.3 L m?2 d?1的產水率；即使在約0.4個太陽強度的陰天條件下，每個模塊也能產水310 mL。相關成果以“Field?portable, solar?powered, litre-scale atmospheric water harvesting across climates with gel fabric architecture”為題發表在《Nature Water》上，Weixin Guan, Yaxuan Zhao, He Shan為共同第一作者。

這套系統的思路可以從圖1a看起。空氣中的水分首先被一塊看似普通的“織物吸附劑”捕獲，隨后這塊織物被卷繞成帶有層間通道的緊湊吸附柱，在太陽能集熱管中受熱釋放水蒸氣，蒸氣再被導入冷凝器，最終變成可收集的清水。圖1b展示了纖維素凝膠織物本身柔軟、大片、可加工的形態；圖1c和圖1d進一步說明，這套裝置可以像戶外設備一樣背負攜帶，也可以通過多個模塊并聯放大，實現真正面向野外場景的部署。圖1e和圖1f則把這項工作放到已有技術坐標中比較。常見沸石、MOF、吸濕鹽和塊狀水凝膠各有優勢，但往往很難同時滿足高吸水量、可規模化制備和易于器件集成。研究團隊提出的纖維素凝膠織物在吸水能力、可擴展制備和可構型化方面取得了較好平衡。系統層面上，這項工作也不再停留于幾十毫升級別的實驗室驗證，而是在真實戶外環境中實現了升級產水，朝“可用的大氣取水系統”邁出關鍵一步。

圖1：展示野外便攜、太陽能驅動、升級大氣取水系統的整體設計

材料為什么能做到既吸水又透氣？研究團隊選擇商業無紡棉作為基礎材料，通過兩步全水相浸漬法制備纖維素凝膠織物。第一步讓引發劑進入纖維內部，第二步在單體和交聯劑溶液中原位接枝兩性離子聚合物并形成水凝膠網絡，之后再負載氯化鋰增強吸濕能力（圖2a）。兩性離子基團可以通過離子–偶極水合作用強烈結合水分，同時削弱纖維素鏈間氫鍵，讓更多親水位點暴露出來；凝膠網絡則在吸水膨脹時維持結構穩定。

這種制備方式的優勢在于，它沒有把織物變成一整塊致密水凝膠，而是在纖維內部和表面形成凝膠層，同時保留無紡布原有的連通孔道（圖2b-e）。圖2f和圖2g從結構和化學層面繼續驗證材料變化。XRD中原有纖維素晶體衍射峰減弱并轉為寬峰，說明接枝和交聯打亂了部分纖維素有序結構；FTIR中出現了磺酸鹽相關的S=O振動峰，進一步證明兩性離子基團進入材料。最終，圖2h給出了最直觀的吸水表現：在15%相對濕度下，凝膠織物吸水量約0.89 g g?1；30%相對濕度下達到1.25 g g?1；60%相對濕度下達到2.15 g g?1。這意味著它不僅在潮濕地區有用，在干旱環境中也能從空氣中“榨出水來”。

圖2：展示纖維素凝膠織物的制備過程、柔性結構和吸水性能

如果說圖2解決的是“材料能不能吸水”，圖3回答的就是“吸進去的水能不能高效放出來”。研究團隊發現，凝膠織物的吸水動力學對樣品面積并不敏感。無論是1 cm2、25 cm2還是400 cm2的大面積樣品，在30%和60%相對濕度下都保持了相近的吸附趨勢（圖3a、圖3b）。這對放大非常關鍵，因為很多材料在小樣品中表現優秀，一旦做大就會被擴散路徑拖慢，而這種纖維織物由于內部孔道連通，面積放大后仍能保持較快吸水。隨后，研究團隊把織物卷成不同層間距的柱狀吸附模塊，并用模擬和戶外實測共同尋找最佳結構。圖3c和圖3d顯示，層間距越大，水蒸氣越容易被帶走，Sherwood數越高，脫附越快。但層間距也不能無限增大，因為太大的間距會降低單位體積吸附劑裝載量。戶外實驗表明，10 mm層間距的卷繞結構脫水最快，到14:00時剩余水分明顯低于0 mm和5 mm結構（圖3e）。圖3f進一步揭示了卷繞模塊內部的“先外后內”脫附過程：靠近太陽吸收面的外層先升溫、先釋放水分，隨著外層逐漸變干，水分釋放中心開始向內層轉移。

冷凝器同樣決定最終能收集到多少水。傳統冷凝腔內容易出現回流和局部滯留，導致蒸氣沒有充分接觸冷凝表面。研究團隊設計了帶內部導流板的流向引導冷凝器，使水蒸氣沿更合理路徑流動，增加與冷表面的接觸機會（圖3g）。戶外測試中，這種冷凝器溫度比普通冷凝器低約7 ℃，收水量提高約22%，收集效率從約81%提升到89.2%（圖3h、圖3i）。這說明，空氣取水并不是材料單點突破就夠了，吸附、加熱、傳質和冷凝必須像一套完整流水線一樣協同工作。

圖3：展示系統層面的傳質、脫附和冷凝優化

真正的考驗來自戶外。圖4展示了系統在兩種截然不同氣候中的運行結果。在半濕潤的奧斯汀，夜間相對濕度較高，研究團隊采用“雙批次”運行：兩塊織物夜間平鋪吸水，白天依次卷入太陽能脫附管中釋放水分，中午前后達到較高收水速率，14:00左右更換第二批吸附劑繼續產水（圖4a、圖4b）。最終，雙模塊一天收集到1.3 L水，相當于4.7 L m?2 d?1（圖4c）。到了奇瓦瓦沙漠，空氣濕度平均只有約26%，單模塊一天也能收集610 mL水，面積產水率達到4.3 L m?2 d?1，與半濕潤氣候下的水平非常接近（圖4d-f）。這正是該系統的亮點：它不是用固定模式硬扛不同氣候，而是根據濕度和太陽條件調整運行節奏。圖4g進一步證明，太陽輻照強度越高，模塊產水越多；但即便遇到陰天，系統仍能在約0.4個太陽強度下運行，每個模塊產水310 mL。圖4h則把這一技術推向全球尺度。研究團隊基于實測性能估算了全球年均日產水潛力，發現中東、北非、南亞以及撒哈拉以南非洲部分地區等嚴重缺水區域，恰好也是該系統具有較高產水潛力的區域，部分地區平均面積產水率可達約4 L m?2 d?1。

圖4：展示系統在真實戶外氣候中的產水表現

小結

總體來看，這項工作展示了一條從材料到系統的一體化空氣取水路線。纖維素凝膠織物提供了高吸水量、快傳質和可規模化制備基礎；卷繞通道結構解決了緊湊裝填與快速脫附之間的矛盾；太陽能集熱和流向引導冷凝器提升了能量利用與收水效率；氣候自適應批次運行則讓系統在濕潤、干旱和弱光條件下都能保持穩定輸出。未來，如果進一步加強鹽分固定、降低長期離子遷移風險，并通過工業化制造降低成本，這種便攜、模塊化、離網運行的大氣取水系統有望成為偏遠地區、災害應急和缺水社區的重要補充供水方案，也為2030年可持續飲水目標提供一個更接近現實的技術抓手。

來源：高分子科學前沿