沙漠空氣裡都能「榨」出水？這個諾獎熱門候選厲害了
2020-07-24 世界頂尖科學家論壇2018年沃爾夫化學獎得主、加州大學伯克利分校化學教授奧馬爾·亞基（Omar Yaghi），日前榮獲2020年英國皇家化學會頒發的「水資源可持續發展獎」（2020 Sustainable Water Award）。
奧馬爾·亞基（Omar Yaghi）。圖｜Facebook
獲獎原因是他和團隊「使用金屬有機框架（MOF）推動了從沙漠空氣中收集水的有效發展」。
這項研究的核心是被稱為金屬有機框架（MOF）的多孔化合物。特定設計的MOF可以吸附並冷凝空氣中的水分，即使是在乾燥的沙漠環境中也能有效工作。
亞基教授和研究團隊在實驗室。圖｜Royal Society of Chemistry
亞基教授呼籲未來有「個性化的水」。在他的願景中，人們可以在家裡使用太陽能驅動的水收集器，提供滿足家庭需要的水，從而擺脫對自來水管網的依賴。
1、從空氣裡「榨」水
根據這項研究成果，以MOF為核心部件的水收集器，平均每公斤MOF每天能從低溼度空氣中抽取超過1.3升水，超過維持生命所需的最低限度；在加利福尼亞莫哈韋沙漠進行的實地測試中，每公斤MOF每天產出0.7升水；即使在沙漠中最乾燥的一天，在7%的相對溼度和超過27攝氏度的溫度下，每公斤MOF每天仍能產生0.2升的水。
最新版本的收水機將環境空氣吹到裝有MOF的濾芯上（有機玻璃盒內可見）。MOF從乾旱的空氣中抽出水，然後通過溫和的加熱從MOF中去除。濃縮的水蒸氣通過右側的管子吹出，進入冷凝器。即使在莫哈韋沙漠這樣乾燥的地區，這一過程也能生產出可供飲用的水。圖｜UC Berkeley
測試用的水收集器以太陽能電池板為動力，可以全天候工作。
「眾所周知，要想在相對溼度低於40%的空氣中冷凝水，需要將空氣冷卻到零攝氏度以下，這是不切實際的。」亞基教授說，「我們的收集器是在非常低的溼度下進行的，沒有任何其他材料可以做到這一點。」
亞基教授研發的多孔材料。圖｜Royal Society of Chemistry
亞基創辦的公司Water Harving Inc.正在測試，並將很快推出一款微波爐大小的設備，每天可供應7至10升水，足夠滿足兩到三名成人飲用需求——根據美國國家科學院的建議，成年男性和女性每天的水消耗量分別為3.7升和2.7升。
一個冰箱大小的收集器，每天將可提供200至250公升的水，足夠一個家庭飲用、烹飪和淋浴。而在未來幾年內，該公司希望能生產村莊級的收集器，每天能生產20000升水。由此，人們可以就地取水，而不需要依賴自來水管網。
「大氣的含水量幾乎與所有河流和湖泊的水量一樣多。收集這些水可以幫助乾旱的沙漠變成綠洲。」亞基說。
亞基教授講解多孔材料。圖｜Royal Society of Chemistry
2、神奇的MOF
水收集器的核心成分MOF，是由有機配體和金屬離子或團簇通過配位鍵自組裝形成的具有分子內孔隙的有機-無機雜化材料。
打個比方，就如同一個以金屬為骨架、有機材料做填充的海綿。它的多孔性非常強，一克MOF的表面積相當於一個足球場。
亞基的團隊在2014年製造了名為MOF-801、基於金屬鋯的第一代吸水材料。環境空氣中的水分子會粘附在材料的內表面上，這一過程稱為吸附作用。
MOF內部的溼度增加到即使在室溫下也會冷凝的程度，就像溼度較高時水在較冷的表面上凝結一樣。當MOF稍微加熱時，水會回流出來，可以冷凝和收集。
2019年測試的新設備，使用基於鋁的MOF-303，它能比MOF-801多容納30%的水。此外，新型號不再是被動的，而是使用太陽能電池板，驅動風扇將環境空氣吹過盒內的MOF，使MOF更多暴露在空氣中。
亞基教授的研究團隊展示了去年秋天在莫哈韋沙漠中從收水機收集的水。圖｜UC Berkeley
用MOF填充的盒子大約10英寸（25釐米）見方，5英寸（13釐米）厚，中間有兩組通道：一組用於吸附水，另一組用於將水排出冷凝器。通過這兩處改進，新設備的效率是早期版本的10倍。
經過吸附-冷凝收集而來的水中，沒有發現金屬或有機物。
MOF的用途非常廣泛。除了收集空氣中的水分，其他類型的MOF還可以用於從煙塵中吸附二氧化碳，催化化學反應或分離加工廠的石化產品等。
3、諾貝爾獎熱門候選
亞基出生於約旦——一個80%疆域為沙漠、非常缺水的國家。目前，已有多個缺水國家對水收集器表現出濃厚興趣，希望能儘快投入實際應用。
亞基教授是「網狀化學」這一化學分支領域的開拓者。他提出「積木搭建」的方法，生產金屬有機框架（MOF）、共價有機框架（COF）和沸石亞米達唑框架（ZIF）等多孔新材料。
這些物質是迄今已知的多孔性最強的物質，可以很容易地通過化學方法進行設計和轉化，在氫和甲烷儲存、碳捕獲和轉化以及催化方面極具應用價值。
因為在網狀化學領域的開拓性貢獻，亞基教授近年來一直是諾貝爾化學獎的有力競爭者。亞基教授是美國國家科學院院士，獲得的科學獎項包括費薩爾國王國際科學獎（2015年）、阿爾伯特愛因斯坦世界科學獎（2017年）、BBVA基金會基礎科學知識前沿獎（2017年），沃爾夫化學獎（2018年）、埃尼能源卓越獎（2018年）、瑞典皇家科學院格雷戈裡·阿米諾夫獎（2019年）等。
參考信源：
1. Royal Society of Chemistry, Professor Omar Yaghi,https://www.rsc.org/awards-funding/awards/2020-winners/professor-omar-yaghi/#undefined
2. Berkeley News, Water harvester makes it easy to quench your thirst in the desert，https://news.berkeley.edu/2019/08/27/water-harvester-makes-it-easy-to-quench-your-thirst-in-the-desert/
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