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“喝風吐水”！看一塊海綿如何改寫全球水資源獲取新規則

文章來源：賢集網更新時間：2025-05-21 15:50:41

澳大利亞皇家墨爾本理工大學聯合五家中國科研機構，通過材料科學與工程技術的交叉創新，研發出以多孔輕木為基底的海綿狀復合材料WLG-15。該材料憑借獨特的物理化學特性，構建起全新的空氣取水技術體系，為應急救援與偏遠地區供水開辟了新路徑。

一、材料創新：WLG-15的三元復合結構解析

WLG-15材料的核心優勢源于其獨特的三元復合結構設計。基底選用密度僅為0.1-0.2g/cm³的多孔輕木（Balsa Wood），其內部呈蜂窩狀微米級孔隙結構，比表面積可達15-25m²/g，為水分吸附提供了豐富的物理空間。研究表明，當孔徑分布在2-50nm的介孔區間時，水汽分子可通過毛細管凝聚作用實現高效吸附。

功能增強層引入氯化鋰（LiCl）作為吸水介質。LiCl在相對濕度40%-90%的環境中，可通過潮解反應與水分子形成水合離子（Li??nH?O），其理論最大吸水量可達自身質量的3-5倍。實驗數據顯示，在80%相對濕度條件下，含15%LiCl的復合材料吸水率較純輕木提升210%。

光熱轉換層采用粒徑約20-50nm的氧化鐵納米顆粒（Fe?O?）。該材料在太陽光譜400-1100nm波段具有85%以上的吸收率，通過光熱效應將光能轉化為熱能，使材料表面溫度在標準光照下可升高15-20℃。這種溫度提升有效促進了吸附水的解吸與汽化過程，實現水分的高效釋放。

二、系統集成：空氣取水裝置的協同工作機制

基于WLG-15材料開發的空氣取水裝置采用模塊化集成設計。核心單元為邊長2cm的立方體復合塊，通過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，其光學反射率達92%，可將入射太陽光匯聚至材料表面，強化光熱轉換效果。

冷卻系統由三部分構成：底部的鋁制散熱塊（熱導率237W/(m?K)）用于快速傳導熱量，中間層的半導體制冷片在3.6V供電下可形成10-15℃的溫差，頂部的微型軸流風扇（風量1.2m³/h）加速空氣對流。該系統使裝置內部形成溫度梯度，促進水蒸氣凝結。

能量供應模塊采用單晶硅太陽能電池板（轉換效率22%）與超級電容器組合。在標準光照強度1000W/m²條件下，電池板每小時可產生12Wh電能，滿足裝置連續運行需求。儲能單元支持裝置在夜間或弱光環境下持續工作4-6小時。

三、性能驗證：實驗室數據與應用潛力評估

在相對濕度90%、環境溫度25℃的實驗室條件下，單克WLG-15材料在12小時內可完成吸附-解吸循環，累計產水2.1ml。當濕度降至60%時，產水量下降至1.3ml，但仍優于傳統吸濕材料1.8倍。材料循環使用50次后，產水效率衰減率僅為7.2%，展現出良好的耐用性。

通過建立包含濕度、溫度、光照強度等12個參數的熱力學模型，模擬結果顯示：在我國西北地區（年均濕度35%-50%），每平方米裝置日均產水量可達4-6L；在東南亞雨季（濕度70%-90%），產水量可提升至12-15L。這一產能足以滿足單人日均基本用水需求（3-5L）。

與商業化大氣水發生器（AWG）對比，WLG-15裝置在低濕度環境下優勢顯著。在濕度40%條件下，AWG單位能耗產水量為0.8L/kWh，而WLG-15裝置僅需0.3kWh/L，能耗降低62.5%。設備成本方面，AWG系統單價約17000美元，WLG-15裝置規模化生產成本可控制在200美元/㎡以內。

四、技術演進：從實驗室到產業化的跨越路徑

研發團隊采用機器學習算法構建材料性能預測模型，輸入材料配比、孔徑分布等23個特征參數，預測產水效率的準確率達91.3%。通過該模型篩選出3種新型復合材料配方，在60%濕度下產水效率較初代提升40%。

中試階段將開展多場景適應性測試，重點驗證極端環境下的運行穩定性。在-20℃低溫環境中，材料吸附性能保持率達89%；在沙塵環境下，經特殊涂層處理的裝置連續運行72小時無性能衰減。計劃在2025年內完成50㎡規模的現場示范工程建設。

產業化進程面臨三大關鍵挑戰：規模化生產工藝優化方面，需開發連續化浸漬-干燥生產線，將單批次生產周期從8小時壓縮至2小時；材料耐候性提升方面，擬通過納米涂層技術將紫外線老化壽命延長至5年；標準體系建設方面，正聯合國際標準化組織（ISO）制定空氣取水裝置性能測試規范。

這項基于海綿狀復合材料的空氣取水技術，通過材料創新與系統集成，突破了傳統水資源獲取的時空限制。隨著技術成熟與產業化推進，其不僅能為災害救援提供應急供水保障，更有望在全球23億缺水人口的基本用水需求解決中發揮重要作用。未來，結合智能控制系統與物聯網技術，該技術或將重構分布式供水網絡，推動水資源利用模式的革命性變革。

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