五种空气取水技术原理

“集雾器”(网状雾珠采集系统)

美国麻省理工学院（MIT）研究发的雾气取水系统

自然界中有不少生物具有从空中取水的本领，蜘蛛就是其一。常见的蛛网由蛛丝构成，但蛛网上一圈又一圈的螺旋线是湿丝，并非单一的蛛丝。湿丝上面分布着细细的珠状胶粘液体——羟酸酯，具有极强的亲水性，极易吸收空气中的水分，可在长时间内保持较强的粘着力，既方便捕获猎物，又可源源不断地为蜘蛛提供生命之水。受蜘蛛网凝结水珠的启发,1990年代就发明了模拟蜘蛛网取水的装置。从空气雾气中取水的基本原理是编织一张超大网络，让空气中的细小水珠遇到网线后凝聚成大水珠而被收集。MIT研究人员经过对比仿生研究发现，决定雾气取水效率的因素有三个，即网丝的粗细、网丝间距的大小和网丝表面的涂料。现有技术装置主要是由聚烯烃材料编织的网络，虽然此网编织起来简单易行而且价格便宜，但往往因为网丝过粗、网眼过大等，结果不理想，只能在轻雾状态下获得2%的取水率。

研究人员发现，有些沙漠昆虫（如南部非洲纳米布沙漠的甲壳虫）身体上雾气取水的网丝表面是坚硬的，这种具有渗透性功能的网状结构之所以具有很高的取水率，主要是因为风吹使雾珠围着网丝表面旋转而凝聚。他们因此采用比头发丝粗3到4倍的不锈钢作为网丝编织网络，网丝之间的缝隙约2倍于网丝，并在网丝表面涂上一种容易让水珠下沉的化学涂料，减少网丝交会角滞留现象发生，并让在网丝上形成的雾珠向下流进底部得到收集。这种称之为“雾珠采集系统”的垂直网丝结构，在轻雾条件下可以让系统获得10%以上的取水率，如果将网络叠加使用，还可以得到更大的取水率。

年轻的英国建筑师马修·帕克斯在纳米比亚大学水文中心的设计方案中就采用了这种理念。他设计出一种大楼，能在世界上某些最为干燥的地方收集到足够的水供自身使用。

目前，该系统已经被安置在智利北部阿塔卡玛沙漠边缘的沿海山区，每平方米网格每天一般可以获得几升饮用水；在强风和空气湿度好的季节，每天甚至可以获得12升以上饮用水。

新的取水装置更是让我们感到，沙漠不再是生命禁区——带上一张高效取水网，还有高能量食品，就能长时间在沙漠里行走或驻守。如果这种网的造价能降低，就可以用它来绿化沙漠。

利用亲水与憎水材料取水

纳米比亚沙漠中有一种独特的昆虫——纳米比亚沙漠甲虫，能从由海上飘到沙漠的雾中收集所需的一切水分。通常在晚上或者清晨，沙漠甲虫迎着雾调整甲壳的角度收集湿气，湿气凝聚成水滴后沿着甲壳边缘的小槽流入甲虫口中。

模仿这种甲壳虫的背部的构造，研究者制作了一个由吸水涂层和防水涂层组成的表面，利用风扇加快空气流通并通过这个表面，最终让水凝结储存起来。来自美国麻省理工学院的研究人员从中得到启发，通过观察学习这种纳米比亚沙漠甲壳虫，发明了一种能够从空气中取水的自充满水壶。

而在未来，这项技术将有可能与温室和绿色屋顶结合起来，并且被推广到农场或者更大型的农业项目上

两名以色列工学院的研究生约瑟夫·科里和埃亚勒·马勒卡发明了一种可在几乎任何气候条件下从空气中收集露水并转化为淡水的简易方法——“水空气”（WatAir）。这项发明的灵感来自树叶收集露水的特性。用一块块板材做成倒金字塔形的采集器，一套面积为315平方英尺的设备每天可从空气中提取至少48升淡水。只要采集器的数量够多，即使在偏远和受到污染的地区也能每天无限量供应淡水。

沐雾甲虫，是生活在纳米比亚沙漠中的一种神奇的昆虫，它能在朝露的沙漠中收集小水珠，将其集中在一起然后吞入体内。而由 Kitae Pak 设计的这个 Dew Bank Bottle 晨露收集器就是仿生了这种昆虫，它金属的外表能很好抓住露珠，汇成的水珠最后都收集到了容器.。这项设计赢得了2010年Idea Design的铜奖，特别适合非洲沙漠地区的游牧民族来使用

利用温差冷凝成水

林纳克的发明名为Air-drop，外形酷似一盏太阳能路灯，实际上由四部分组成：太阳能电池板、涡轮机、水泵和储水箱。一根细管将电池板、涡轮机和埋在地下的水泵相连，水泵外面缠绕着铜管，它的另一端与最底部的储水槽相通。

Airdrop的工作原理相当简单。在对植物进行灌溉时，涡轮机会将大量空气吸入细管，再把空气导入水泵外的铜管中。铜管周围泥土的温度通常为6℃，进入铜管的温暖空气则有27℃，在温差的作用下，空气中的部分水气开始不断凝结沉降。

冷凝后的水分被储存在最底部的水箱中。有灌溉需要的时候，水会被水泵抽取出来，从安装在农作物根部的半浸透式软管中渗出，浸湿植物根部的土壤。Airdrop还装有LED显示屏，显示水位、压力、太阳能电池寿命和系统是否正常。

林纳克表示，利用冷凝原理从大气层中收集水分并不是新概念，但是他的发明更具优势。因为其他水分收集装置通常需要大量的能源来驱动制冷设备，而Airdrop仅利用空气和地表以下之间的温差。而且涡轮机由太阳能供电，不需使用任何额外电力。停机的时候，太阳能所转化成的电能会储存在Airdrop的内置蓄电池中。

在Airdrop的设计细节上，林纳克也有特别的创新之处。他提到，如果只是用铜管冷却空气，管壁就是唯一的传热区域，空气在铜管中直线流动，水汽的沉降效果较差。在经过反复建造模型和物理测试后，林纳克决定在铜管中加入铜丝绒，这使得设备传热的面积扩大到了铜管和铜丝绒中。空气在铜管中不规则地流动，沉降的效果变得更好。

在詹姆斯·戴森看来，空中水滴灌溉系统显示出一种简单而自然的原理，在成熟的工艺条件下会获得很好的收益。

利用盐溶液取水

斯图加特的研究者们发明了一种从盐溶液中提取水的办法， 这种设备完全依靠太阳能供电供热，可在没有电网的地区使用。其核心技术是利用盐水的吸湿作用吸收空气中的水分。第一步是让盐水从一个塔形装置顶部流下，并在这一过程中吸收空气中的湿气。然后将盐水泵入一个数米高的真空容器，再利用太阳能加热因吸收湿气而被稀释的盐水，蒸馏出不含盐的水分。        之所以使用真空容器是为了使这种盐水在远低于１００摄氏度时就可以沸腾，从而降低蒸馏过程的能耗。蒸馏水在一个特殊填充管中流出是一个不断抽真空的过程，从而免于使用真空泵，经蒸馏后被浓缩的盐水会被重新导入塔形装置顶部去吸收空气中的水分。

“小型设备可以满足一个人的需要，大型设备可以为一座宾馆提供从空气中获取的饮用水”，该研究所得迈克 布利克说。

目前，该种方法的技术核心在于选择何种吸湿/解吸材料，因为，它决定着能耗和效益的大小。

制冷结露

它们的基本原理都是将过滤的空气经过压缩机、制冷机冷凝成露水，最后通过紫外线杀菌、活性炭净化后制成饮用水。

但是，单纯应用制冷结露的方法能耗较大，能源利用效率较低，因此，并非最佳选择。

不过，在中国水利水电科学研究院水资源研究所室主任王建华看来，理论上有需要从空气中取水的都是比较干旱的地方，空气中的水分本就较少，能从空气中溢出的淡水十分有限。而空气湿度大的地区，江河径流、地下水必然很丰富，又不需要空气取水。因此，他认为，这种方法可适用的范围很小。

“最重要的是，空气取水的技术并不成熟，它的投入产出严重不成正比。”