当今，科学技术发展迅速，这与人类对资源的开发与利用密不可分，其中，水资源利用是人类不可忽视的领域，因为人类面对的一个根本挑战就是怎样最大限度地利用地球上的淡水，下面我们来分析得出这一观点的原因。让我们先看一下地球的水资源分布，在地球上，咸水湖、海洋约占所有水资源的97%，但只有2.5%的可用水是淡水（如图1所示），其中大部门还在冰川中，以南北极的冰雪形式而存在。而对于人体来说，淡水不仅对维持电解质平衡至关重要，而且是人体排泄废弃代谢物的唯一载体。淡水资源由于分布不均衡，而且随着科技发展，有限的淡水资源还会受到工业污染，淡水资源的保护必要引起人们的重视。人类可供饮用的淡水有以下来源，它们分别是：1、地下水；2、地表水（河流、湖泊）；3、海水淡化。此外，空气中还含有0.04%的水[1]。因此，人类应该积极探索淡水资源的利用方式，并致力于淡水资源的富集与回收。传统的淡水网络方式有：1、利用二次能源（如电力）的反渗透海水淡化措施；2、利用冷流体的相变冷凝。然而，这些途径极其昂贵，且会对海洋周边的其它生态造成倒霉影响。值得关注的是，科学研究者成功研究了一系列的大气集水（Atmospheric water harvesting，AWH）质料，为应对淡水危机提供了潜在的解决方案[2]。让我一同走进今天的科普话题，探索其奥秘。
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图1地球水资源概念图（左）与海水淡水分布图（右）（图源于https://ibaotu.com与https://blog.sciencenet.cn）
一、自然中的大气集水征象
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大气集水（AWH）顾名思义是从空气中网络水。自然界中就有动物从空气中吸取水分来生存。例如蜘蛛，我们在很多地方都能够看到它。天天早上，我们很容易在蜘蛛丝上发现露珠，这表明蜘蛛丝能够从空气中吸取水分。蜘蛛丝集水的底子是曲面内外的压力差，称为拉普拉斯压力[3]。蜘蛛丝具有瓜代的框架结状纺锤体结构，而连接纺锤体的的接缝是平行的。由于打仗角的不同，在蜘蛛丝上就会形成亲水区和疏水区，实现水的吸附，见图2左图。此外，沙漠中的甲虫通过吸取空气中的水分来生存，甲虫背部的突起可以吸取空气中的水分。甲虫脊的顶部有两个不同的部门，包括疏水区和亲水区。疏水区可以将液滴引导至亲水区，并导致水滴在亲水区被更多地吸取和积累[4]，见图2右图。
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图2蜘蛛和沙漠甲虫大气集水图（图源于http://www.desktopsem.com）
二、化学质料用于大气集水
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得益于自然界特定集水生物的启发，科学家开始思量能否研究出一系列质料实现大气中的高效水网络。大气集水研究通过利用吸附剂的吸湿性吸取并保持水分，使水在特定刺激（如温度升高）下释放，为干旱或湿润环境提供了一种实用的现代集水解决方案。
1、大气集水的要素
集水自然要讨论空气中水含量的决定参数。空气中的水含量由三个主要参数决定，包括相对湿度、空气温度和总大气压。每单位体积空气的水蒸气量称为绝对湿度（AH），肯定温度下的绝对湿度与相同温度下的饱和湿度之比称为相对湿度（RH）。在水网络系统中，在阳光、环境温度和相对湿度较高的炎高湿润天气中，产水量最高。
传统意义上的集水方式常见为冷凝集水，当湿空气中的水蒸气遇到温度低于其露点温度的冷凝面时，会释放热量并凝结为液态水。当空气中的水蒸汽含量到达饱和时，其饱和水蒸气压力与环境温度相等。如果环境温度下降，饱和水蒸气压力也会下降，从而导致水蒸气凝结成水，该途径较多应用于工厂中，但是，冷凝水汇集点如果压力不一致，因压差使得冷凝水的回收系统将运行不畅，此外，该技术在大气集水中，服从并不出色，因而不作为大气集水的主要手段。
吸附是水分子聚集在质料表面的过程，大气集水现最为常用的措施就是吸附，其中水蒸气吸附依赖水蒸气与吸附质料之间的相互作用，分为物理吸附和化学吸附。物理吸附通常由范德华力、伦敦色散力等驱动，但其相互作用较弱，服从较低。与之形成对比的是，化学吸附在水分子和集水质料表面之间形成了更强的，通常是不可逆的键，这个过程的特点具有更高的吸取能量，因为它涉及到共价键或离子键的产生。氢键在水蒸气吸附中起着至关重要的作用，它是指一个氢原子与一个电负性很强的原子（如氧、氮或氟）共价结合，并与另一个电负性原子相互作用。这些键的强度差别很大，受供体和受体原子性质的影响，氢键强度的范围也不同[5]。此外，吸附是指水分子附着在质料表面，而吸取则是指水分子与质料的整体结合，从而引起质料成分的变化。对于吸取过程，膜理论科学解释了大气集水中水分子的网络机制。膜理论认为气液界面是两个不同的层，在单独的层中分子运动有限。这些层是主要的传质阻力区，吸取过程主要依赖于层间的扩散作用，将水蒸气分子从大气气相转变为液相，从而被吸附质料所吸取，被吸取的水分子会经过解吸步调（通常是施加肯定的温度）后，将吸取的水解吸供人类利用。
2、用于大气集水的吸附质料
多孔固体，由于其发达的孔隙度和巨大的表面积，善于于吸附水分子。因此，本文主要讨论一系列多孔质料在大气集水中的应用。
2.1传统多孔固体
2.1.1沸石
沸石是一种分子结构，由于其独特的表面特性以及其结构中存在铝、硅、磷和钠等各种元素，因此具有非常好的吸取水蒸气的能力，见图3。由于其结构中存在结晶铝硅酸盐，即使在较低的相对湿度下，它们也能吸取水蒸气。但由于与水分子的键合较强，吸附后水分子的解吸困难。沸石的水蒸气吸附能力主要取决于其结构中的比例。沸石中的铝是吸附位点，具有与水分子配位的作用，其量影响对水的吸附能力。沸石的多孔结构也决定了吸水能力，较大的孔隙体积通常会导致高吸附能力。它们的本质是水分子进入沸石结构后，水被孔隙中的正电荷极化，并由于范德华力而被吸附[6]。经过气液扩散作用，一直持续到孔隙中布满水分子。然而，由于对水的高亲和力使其难以释放水，并且必要高能耗，因此不适合高效的大气集水。
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图3沸石样貌（图源于http://www.chinaneolithic.net/cn）
2.1.2硅胶
硅胶是表面具有大量羟基的纳米级多孔聚合物。其表面羟基可与空气中的水分子结合，因此吸附速率随表面羟基数量的增加而提升。硅胶具有纳米级孔隙，并且具有高比表面积，可用于吸取水分。但在相对湿度较低时不能吸水，可以说不适合在干燥空气中产生水[7]。
2.2当下的多孔固体
2.2.1金属有机框架质料（MOF）
金属有机框架质料（MOF）由两个主要成分构成，它们是：1、金属离子或金属离子簇；2、一种称为连接子的有机配体；MOF由金属离子构成，这些金属离子与有机分子键合在一起，形成结晶、多孔的结构，并且根据金属位点和配体的不同，MOF的结构可以机动调控，结构如图4所示。MOF在大气集水方面的关键因素在于其水解的稳定性，这是调控其结构实现高效集水的底子。MOF在受潮或遇水时其金属-配体键容易受到水的攻击而解体。在MOF组装中，羧酸配体（硬路易斯碱）与高价金属离子（硬路易斯酸）配对，或偶氮酸配体（软路易斯碱）与二价过渡金属离子（软路易斯酸）配对，被广泛应用于解决MOF的水解稳定性问题。高价金属离子和羧酸配体可以形成高度连接的金属节点和配体，这是热力学和动力学稳定的。MOF的吸水能力关键取决于其结构中的亲水基团，在具有多孔和亲水结构MOF吸附剂中，水起首在初级亲水位点被吸取，然后开始以水团簇的形式生长。起首，水蒸气分子被吸附在MOF结构中靠近离子簇的极性亲水中心附近，然后吸附在这些位点的水分子可以作为额外的吸附位点并引发水团簇的形成[8]。
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图4 MOF质料表现图（图源于https://www.xincailiao.com）
2.2.2共价有机框架质料（COF）
COF与MOF雷同，也是一类具有扩展网状结构的质料。但COF由坚固的共价键连接有机构筑单元构成，而不是MOF的金属配位键，因此COF具有更优秀的水解稳定性，这对于集水应用至关重要，并且可以通过有机合成策略精确定制二维大概三维结构的COF，现在的研究越来越多。在一些COF研究中，亚胺连接的COFs通常通过芳香胺和醛通过动态希夫碱反应合成的，由于亚胺键具有氢键能力，因此可以作为主要的水吸附位点，主要的相互作用通常涉及极性位点的氢键作用，进而形成层或团簇，最终形成孔隙填充[9]。
三、大气集水的研究案例
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例如，2024年，Li等[10]人开发了一种具有优秀水蒸气容量的新型Co-MOF质料，如图5所示。溶剂热法合成的Co-MOF-31在低相对压力下可以到达0.79 g水/g吸附剂的吸附容量，饱和吸附容量高达0.98 g水/g吸附剂，这归因于丰富的开放金属位点。适当的有机配体与金属盐的有用结合产生了暴露的亲水基团和极高的比表面积（1619.3 m2/g）。同时，Co-MOF-31在大于20次吸水和释放循环后仍能保持初始吸水量的96%。
图5 Co-MOF质料大气集水表现图[10]
2024年，Paul Schweng等人[11]报道了一种能够在干旱条件下网络大气水的磺酸盐修饰的共价有机框架（COF-SO3H），如图6所示。COF-SO3H有着精良的集水能力，在10 %的低R相对湿度下，能够到达0.12 g水/g吸附剂吸附容量，甚至在5%的低相对湿度（RH）下，到达0.88 g水/g吸附剂吸附容量，这种低相对湿度环境代表了地球上一些最极端的条件。研究发现，与非磺化COF相比，磺酸盐部门的加入COF的亲水性大大提升，很好地证明了在炎热、干旱地区引入这些亲水位点对水分吸取的好处。
图6磺酸盐修饰的共价有机框架质料大气集水表现图[11]
除了我们上述提到的框架质料外，2024年，Fu等[12]人报道了一种复合气凝胶吸附剂，兼具绿色环保、低成本、可降解特性及快速吸湿-解吸动力学。该复合吸附剂以水溶性生物质质料海藻酸钠（SA）和羧甲基壳聚糖（CCS）为气凝胶骨架，通过定向冷冻构建垂直排列的单向孔隙结构，并引入纳米碳粉和吸湿盐氯化钙（CaCl2)分别提高太阳光热性能和吸水率，如图7所示。效果表明，复合吸附剂在30%~90%相对湿度（RH）下具有精良的吸水能力，90%RH下到达1 g/g吸水量的时间仅需2.5 h，最终吸水率12小时内到达1.9 g水/g质料。
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图7复合气凝胶吸附剂质料大气集水表现图[12]
四、结语
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图8 MOF-303大气集水装置网络水表现图[13]
大气集水作为一个较热的研究领域，正在为解决人类水危机问题提供持续方案。未来应该关注将这些吸附质料与装置结合起来，推动大气集水研究的实用性发展。例如，如图8所示，MOF/COF之父Omar M. Yaghi团队就曾利用微孔铝基金属有机框架MOF-303开发了实用的集水器。该集水器能够利用太阳能供电持续运行，当系统配备MOF-303时，可天天产生1.3 L水/kgMOF（27 ℃干旱环境，32%相对湿度）。有几种研究途径必要进一步探究：1、开发具有高吸附能力和易释放的新质料，优先思量环保无毒质料，从而保证吸附水的水质，以供进一步利用。2、应调解质料的微观结构，增大可打仗面积，确保质料表面与水分子充分打仗。3、需调控质料与水分子的相互作用以提升吸附服从。。4、质料结构稳定性必须强，才能在水分吸附和释放过程中保持结构稳定，提高循环性能。5、开发轻量级和紧凑型网络设备非常关键，这对提高吸附剂质料的服从至关重要。总之，我们应该多关注该领域的发展，同时在生活中节约淡水，自发做一名保护水资源的卫士。
参考文献
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[10]Li S H, Wu P, Chen L, et al. Enhanced atmospheric water harvesting (AWH) by co-based MOF with abundant hydrophilic groups and open metal sites[J]. Journal of Water Process Engineering, 2024, 58, 104899.
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作者：尚智
编辑：朱真逸
审核：佘婉宁
来源：https://view.inews.qq.com/k/20250425A029KR00
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