“喝風(fēng)吐水”！看一塊海綿如何改寫全球水資源獲取新規(guī)則
文章來(lái)源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-05-21 15:50:41
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澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)聯(lián)合五家中國(guó)科研機(jī)構(gòu)，通過(guò)材料科學(xué)與工程技術(shù)的交叉創(chuàng)新，研發(fā)出以多孔輕木為基底的海綿狀復(fù)合材料WLG-15。該材料憑借獨(dú)特的物理化學(xué)特性，構(gòu)建起全新的空氣取水技術(shù)體系，為應(yīng)急救援與偏遠(yuǎn)地區(qū)供水開辟了新路徑。 一、材料創(chuàng)新：WLG-15的三元復(fù)合結(jié)構(gòu)解析 WLG-15材料的核心優(yōu)勢(shì)源于其獨(dú)特的三元復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基底選用密度僅為0.1-0.2g/cm³的多孔輕木（Balsa Wood），其內(nèi)部呈蜂窩狀微米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積可達(dá)15-25m²/g，為水分吸附提供了豐富的物理空間。研究表明，當(dāng)孔徑分布在2-50nm的介孔區(qū)間時(shí)，水汽分子可通過(guò)毛細(xì)管凝聚作用實(shí)現(xiàn)高效吸附。 功能增強(qiáng)層引入氯化鋰（LiCl）作為吸水介質(zhì)。LiCl在相對(duì)濕度40%-90%的環(huán)境中，可通過(guò)潮解反應(yīng)與水分子形成水合離子（Li??nH?O），其理論最大吸水量可達(dá)自身質(zhì)量的3-5倍。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在80%相對(duì)濕度條件下，含15%LiCl的復(fù)合材料吸水率較純輕木提升210%。 光熱轉(zhuǎn)換層采用粒徑約20-50nm的氧化鐵納米顆粒（Fe?O?）。該材料在太陽(yáng)光譜400-1100nm波段具有85%以上的吸收率，通過(guò)光熱效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為熱能，使材料表面溫度在標(biāo)準(zhǔn)光照下可升高15-20℃。這種溫度提升有效促進(jìn)了吸附水的解吸與汽化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)水分的高效釋放。 二、系統(tǒng)集成：空氣取水裝置的協(xié)同工作機(jī)制 基于WLG-15材料開發(fā)的空氣取水裝置采用模塊化集成設(shè)計(jì)。核心單元為邊長(zhǎng)2cm的立方體復(fù)合塊，通過(guò)陣列式排布提升整體取水效率。裝置頂部配置拋物面聚光圓頂蓋，其光學(xué)反射率達(dá)92%，可將入射太陽(yáng)光匯聚至材料表面，強(qiáng)化光熱轉(zhuǎn)換效果。  冷卻系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：底部的鋁制散熱塊（熱導(dǎo)率237W/(m?K)）用于快速傳導(dǎo)熱量，中間層的半導(dǎo)體制冷片在3.6V供電下可形成10-15℃的溫差，頂部的微型軸流風(fēng)扇（風(fēng)量1.2m³/h）加速空氣對(duì)流。該系統(tǒng)使裝置內(nèi)部形成溫度梯度，促進(jìn)水蒸氣凝結(jié)。 能量供應(yīng)模塊采用單晶硅太陽(yáng)能電池板（轉(zhuǎn)換效率22%）與超級(jí)電容器組合。在標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度1000W/m²條件下，電池板每小時(shí)可產(chǎn)生12Wh電能，滿足裝置連續(xù)運(yùn)行需求。儲(chǔ)能單元支持裝置在夜間或弱光環(huán)境下持續(xù)工作4-6小時(shí)。 三、性能驗(yàn)證：實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)與應(yīng)用潛力評(píng)估 在相對(duì)濕度90%、環(huán)境溫度25℃的實(shí)驗(yàn)室條件下，單克WLG-15材料在12小時(shí)內(nèi)可完成吸附-解吸循環(huán)，累計(jì)產(chǎn)水2.1ml。當(dāng)濕度降至60%時(shí)，產(chǎn)水量下降至1.3ml，但仍優(yōu)于傳統(tǒng)吸濕材料1.8倍。材料循環(huán)使用50次后，產(chǎn)水效率衰減率僅為7.2%，展現(xiàn)出良好的耐用性。 通過(guò)建立包含濕度、溫度、光照強(qiáng)度等12個(gè)參數(shù)的熱力學(xué)模型，模擬結(jié)果顯示：在我國(guó)西北地區(qū)（年均濕度35%-50%），每平方米裝置日均產(chǎn)水量可達(dá)4-6L；在東南亞雨季（濕度70%-90%），產(chǎn)水量可提升至12-15L。這一產(chǎn)能足以滿足單人日均基本用水需求（3-5L）。 與商業(yè)化大氣水發(fā)生器（AWG）對(duì)比，WLG-15裝置在低濕度環(huán)境下優(yōu)勢(shì)顯著。在濕度40%條件下，AWG單位能耗產(chǎn)水量為0.8L/kWh，而WLG-15裝置僅需0.3kWh/L，能耗降低62.5%。設(shè)備成本方面，AWG系統(tǒng)單價(jià)約17000美元，WLG-15裝置規(guī)模化生產(chǎn)成本可控制在200美元/㎡以內(nèi)。 四、技術(shù)演進(jìn)：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的跨越路徑 研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建材料性能預(yù)測(cè)模型，輸入材料配比、孔徑分布等23個(gè)特征參數(shù)，預(yù)測(cè)產(chǎn)水效率的準(zhǔn)確率達(dá)91.3%。通過(guò)該模型篩選出3種新型復(fù)合材料配方，在60%濕度下產(chǎn)水效率較初代提升40%。  中試階段將開展多場(chǎng)景適應(yīng)性測(cè)試，重點(diǎn)驗(yàn)證極端環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性。在-20℃低溫環(huán)境中，材料吸附性能保持率達(dá)89%；在沙塵環(huán)境下，經(jīng)特殊涂層處理的裝置連續(xù)運(yùn)行72小時(shí)無(wú)性能衰減。計(jì)劃在2025年內(nèi)完成50㎡規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)示范工程建設(shè)。 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程面臨三大關(guān)鍵挑戰(zhàn)：規(guī)模化生產(chǎn)工藝優(yōu)化方面，需開發(fā)連續(xù)化浸漬-干燥生產(chǎn)線，將單批次生產(chǎn)周期從8小時(shí)壓縮至2小時(shí)；材料耐候性提升方面，擬通過(guò)納米涂層技術(shù)將紫外線老化壽命延長(zhǎng)至5年；標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)方面，正聯(lián)合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定空氣取水裝置性能測(cè)試規(guī)范。 這項(xiàng)基于海綿狀復(fù)合材料的空氣取水技術(shù)，通過(guò)材料創(chuàng)新與系統(tǒng)集成，突破了傳統(tǒng)水資源獲取的時(shí)空限制。隨著技術(shù)成熟與產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，其不僅能為災(zāi)害救援提供應(yīng)急供水保障，更有望在全球23億缺水人口的基本用水需求解決中發(fā)揮重要作用。未來(lái)，結(jié)合智能控制系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)或?qū)⒅貥?gòu)分布式供水網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)水資源利用模式的革命性變革。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_574765.html 來(lái)源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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