MIT研发空气造水机 靠超音波将水“震出”

随着水资源短缺日益严重，寻找干净的水源已成当务之急。近期，美国科学家研发出一款超音波（超声波）集水装置，只要有太阳光就能在短短几分钟内，释放可用的水。这项突破性技术有望帮助那些淡水资源匮乏的社区带来生机。

过去几年里，研究人员研发出一系列类似海绵的材料，使得大气收集水成为可能，因为在极度干燥地区的空气中也含有少量水分。不过，传统方法通常需要加热才能将水提取出来，且需要等待的时间较长。

为了解决这个痛点，美国麻省理工学院（MIT）工程师找到不需要依靠太阳加热，也能更快速回收水分的新装置。他们使用超音波振动大气集水器，将吸水材料中的水分“震出”。这项研究成果于11月发表在《自然》科学杂志，并获得超过20家主流媒体报道，与近1万次观看。

该研究团队长期致力于开发与环境条件互动的材料，目标是为那些缺乏淡水也缺乏海水资源的地区，提供可靠饮用水源。过程中，他们探索了大气水收集（AWH）技术与工程设计，让材料能够有效地从空气中吸收水分。

起初，他们和其他的团队一样认为，放置在室外的AWH系统会在夜间吸收水分，之后依靠白天阳光释放冷凝水，但收到的效果明显不彰。

麻省理工学院机械工程系首席研究科学家斯韦特兰娜‧博里斯金娜（Svetlana Boriskina）向MIT新闻室解释道，“任何擅长吸收水分的材料，都不愿意释放这些水分。往往需要花费大量的能量和时间，才能把水从材料中提取出来。”

该种结果直到具有穿戴式医疗设备背景的研究生伊克拉‧伊夫特哈尔‧舒沃（Ikra Iftekhar Shuvo）加入才出现转机。他们认为超音波在适当的频率下，或许能够解决吸水材料不愿释水的难题。

超音波是指频率超过20千赫兹（每秒20,000次）的声压波，这种高频波对人类来说是看不见、听不见的。

研究团队专门设计了一种超音波致动器，其核心是一个扁平的压电陶瓷环（PZT），只需施加电压就能会产生些微振动。PZT的外环绕着另一个环，环上布满了微型喷嘴，当水滴振动时就会从喷嘴落到上方和下方的收集容器中。

他们将高频超音波装置放置在吸附了水分的PAM-LiCl水凝胶上方，当吸收足够大气中的水分后，就会启动高频超音波致动器破坏水分子与材料之间的键合力，让水滴能顺利释放至收集容器中。

经过多次测试显示，每立方米的水凝胶材料日产水量可达3.25公升，且能耗极低（平均0.576 MJ/kg）。该测试装置还可以透过持续垂直叠加方式，让水的生产效率提高5倍以上（16.25公升），大幅增加产水数量。

研究人员表示，这种方式收集的水成本为每公升0.19美元，远低于美国、英国、加拿大和澳洲等国家的瓶装水，极具商业潜力。因为水凝胶成本低廉，其使用寿命对水成本的影响并不显著。

此外，该装置不依赖热能，仅需小型太阳能板就能解决供电的问题，还能利用太阳能电池作为感测器，一旦材料吸水到饱和即可自动开启超音波释水模式。

研究团队还表示，虽然实验中使用水凝胶作为演示，但该技术具有很强的通用性，未来可以运用到金属有机框架（MOF）、超吸水性纤维和纺织品、盐类和干燥剂等其它吸附剂上，只需要进行评估即可。

博里斯金娜表示，“过往人们不停寻找从大气中收集可用水的办法，这对于那些沙漠地区，或连海水都没有办法淡化的区域至关重要，现在我们有了这种高效快速回收水的方法。”

她解释，我们设想一款未来的家用水汽收集系统，它是由一个快速吸湿材料与一个超音波致动器组成，并利用太阳能进行全自动运作。当吸水材料饱和时，超音波致动器就会启动将水汽甩出，最终变成可持续稳定输出的饮用水源。

她还表示，“这款装置的妙处在于它具有完全的互补性，几乎可以用于任何吸附材料上。现在我们可以利用这个超音波集水装置，每天反复循环提取到很多我们需要的水分。”

这项工作部分是利用麻省理工学院的MIT.nano和ISN设施完成，并得到麻省理工学院阿卜杜勒‧拉蒂夫‧贾米尔（Abdul Latif Jameel）水和食品系统实验室，以及麻省理工学院-以色列‧祖克曼（MIT-Israel Zuckerman STEM）基金的支持。