近日，香港理工大学UEX团队严晋跃教授和刘俊伟博士在《Matter》期刊上对淡水收集技术领域的研究进行系统回顾。该文章聚焦全球水资源短缺问题，以“全天候和全年淡水采集的材料与技术进展”为主题，系统性总结了当前太阳能驱动海水淡化与大气水采集技术的最新研究成果，提出了整合各种技术以实现全天候淡水供应的创新思路。该综述为未来淡水资源采集技术的研发与规模化应用提供了宝贵的理论指导。
研究背景
水资源短缺已成为影响全球发展的重大问题。尽管地球表面70%的面积被水覆盖，但可供人类直接利用的淡水仅占总水量的0.5%。全球有超过40亿人每年经历至少1个月的中度水资源短缺问题，尤其是中东、北非等干旱地区，淡水资源匮乏更为严重。为应对这一挑战，近年来，太阳能驱动的海水淡化与大气水采集技术得到了广泛关注。
然而，现有淡水采集技术普遍受到时间、天气和地域条件的限制。例如，太阳能驱动的海水淡化技术仅在白天表现出高效率，而大气水采集技术则依赖湿度高的环境。如何实现全天候、全年持续的淡水采集是当前研究的重点和难点。
核心内容
1. 太阳能驱动的海水淡化和大气集水（AWH）技术的工作原理
淡水采集技术利用自然能源（如太阳能和辐射冷却），通过蒸发、冷凝、吸附等过程，从海水或空气中提取淡水。白天采用光热材料吸收太阳能驱动海水蒸发，夜间利用辐射冷却或吸附技术从空气中收集水分。通过优化材料和系统设计，这些技术实现了淡水采集的高效性与连续性。
图1. 新兴材料的太阳能驱动界面蒸发和全天淡水供应的AWH方法的工作原理
（A）基于多孔材料二维和三维蒸发器的太阳能驱动界面蒸发示意图，（B）采用仿生材料设计的全天雾收集示意图（雾捕获和水运输），（C）以辐射冷却为驱动力的结露水收集材料与装置设计示意图，（D）基于有前景的吸附剂（例如金属有机骨架（MOF）和水凝胶）的吸附/解吸循环的吸附式水收集示意图。
2.太阳能驱动的海水淡化技术
目前，太阳能界面蒸发技术的产水量已达到 1.5–6.0 kg/(m²·h)，但传统的二维蒸发器由于蒸发面积受限，在夜间的蒸发效率较低。此外，太阳辐射受天气条件影响较大，限制了其稳定供水能力。而通过增加蒸发面积，尤其是利用三维蒸发器的垂直结构设计，可显著提升水的产出效果，相关研究表明，这种结构在实现全天候淡水供应方面展现出巨大潜力。
通过优化蒸发面积和结构设计，三维蒸发器能够提高水蒸发速率并减少对环境条件的依赖。底层盐水被证明是有效的热源，可进一步加速蒸发过程。例如，利用高导热材料（如钢和铝）的三维蒸发器在昼夜运行中表现出优异性能，同时结合旋转式设计，还能够通过重量不平衡驱动自动旋转以保持蒸发稳定性。此外，这些结构还具备脱盐再生能力，使其能够在高盐度或饱和盐水环境中实现持续高效的淡水产出，为全天候淡水供应提供了切实可行的解决方案。
图2. 全天供应淡水的三维太阳能驱动蒸发器的材料和结构
（A）用于高效水蒸发的三维蒸发结构的材料和结构的示意图，（B）三维蒸发结构的内部结构示意图，（C）具有垂直排列的多孔结构和互连多孔结构的三维蒸发结构的水蒸发性能，（D）带有柔性二维蒸发膜和导热支架的三维蒸发结构示意图和相应的红外图像，（E）和（F）具有导热支撑的三维蒸发结构的水蒸发性能，（G）具有自清洁功能的旋转蒸发结构的材料和结构示意图，（H）旋转蒸发结构在1天运行期间的自清洁性能。
3. 大气水收集技术
3.1 雾汽水收集
雾汽水收集利用网状材料或仿生设计捕获空气中的雾滴，在高湿度地区表现优秀且无需额外能耗。其收集过程通常包括两个阶段：水的捕获和输送。在输送过程中，润湿性梯度、拉普拉斯压力梯度和界面张力是三种主要的驱动力。
自然界中，许多动植物依靠吸收和收获空气中的雾气维持生存。受纳米布沙漠甲虫和仙人掌的启发，Nie团队设计了一种具有不对称两亲表面的雾汽收集器。通过刺的结构不对称性，该表面利用拉普拉斯压力高效收集和输送雾滴。同时，基于甲虫仿生疏水-亲水涂层的处理加速了液滴的聚集和收集，使收集器的集水率达到93.18 kg/(m²·h)，仅需1小时便可满足45人以上的淡水需求。结合纳米布沙漠甲虫、蜂巢和猪笼草的微观结构，Ding团队设计了一种由亲水性纳米纤维凸点和疏水性滑溜基底组成的多仿生雾汽收集器，能够高效捕获雾气并输送水分，集水率达11.1 kg/(m²·h)。考虑天然蜘蛛丝捕获雾气和输送水分的优异性能能力，Huan团队开发了一种亲水性双丝蜘蛛丝纤维，通过毛细管力和拉普拉斯压差实现快速输水，淡水供应率高达90.3 kg/(m²·h)，较普通收集器提升了590%。基于蜘蛛丝和仙人掌的拉普拉斯压差，Zhang团队开发了一种竖琴结构的雾汽收集器，可实现高效且稳定的雾收集。
图3. 雾汽水收集仿生材料设计
（A）基于不对称材料设计的雾收集示意图，（B）使用仿生雾收集器的集水过程示意图，（C）采用多种仿生材料设计的雾收集器示意图
3.2 结露-凝结水收集
结露-凝结水收集通过将表面冷却至露点以下，使空气中的水蒸气凝结为液态水，通常在高湿度环境下效果更好。传统的蒸发/压缩和热电设备能提供冷却，但高能耗限制了其应用。近年来，辐射冷却技术取得了显著进展，通过向外太空散热降低表面温度，无需能耗即可驱动水蒸气冷凝。Yu团队开发了一种辐射冷却材料，实现了白天8°C的亚环境温度下降，显著提高了水凝结效率；Zhang团队设计了多孔辐射冷却织物，具有92%的太阳反射率，并在相对湿度80%的条件下达到1.29 kg/(kg·day)的水吸附量；同时，他们通过引入LiCl等吸湿盐，在干燥环境下实现了6.75 kg/(kg·day)的水吸附量。Haechler团队设计了一种具有辐射屏蔽功能的水收集装置，可实现每小时50 g/m²的水收集效率；Fan团队利用太阳能板的夜间红外辐射驱动水凝结，为干旱地区提供清洁水源。尽管如此，强太阳辐射和低湿度环境仍限制了该技术的白天收集效率，未来需要进一步优化材料和设备设计，并探索与其他技术的结合，以实现全天候、高效的淡水供应。
图4. 辐射冷却结露水收集材料与结构设计
（A）对流与辐射冷却结露水收集性能差异示意图，（B）金属表面辐射冷却材料结露水收集图像，（C）辐射冷却驱动的结露水收集，（D）纤维素分子结构用于高效吸附水，（E）纤维素吸附膜对水的吸附和释放示意图，（F）纤维素吸附膜吸水量与相对湿度和吸附剂含量的关系
3.3 基于吸附的水收集
基于吸附的水收集利用高效吸附材料从空气中捕获水蒸气，通过加热释放并冷凝为液态水，适用于干旱或低湿度环境。其过程主要包括三个步骤：水蒸气捕获、释放和液态水收集。常用的吸附材料包括物理吸附剂（如沸石、金属有机框架MOFs）和化学吸附剂（如吸湿盐）。物理吸附剂具有高孔隙率和大比表面积，但在低湿度下性能有限；化学吸附剂通过水合反应捕获水蒸气，吸附能力更强，但存在腐蚀性和溶解性问题。为克服这些缺点，研究者开发了物理与化学吸附剂结合的复合吸附材料，以及性能优异的水凝胶吸附剂。
在研究进展方面，Yaghi团队开发了基于MOF-801的吸附水收集设备，可在干旱环境（20%相对湿度）下通过1倍太阳能加热实现2.8 kg/(kg·day)的水收集率，并在亚利桑那沙漠条件下成功运行。Zhu团队设计了结合界面太阳能蒸发与离子液体吸附剂的吸附装置，实现了2.8 kg/(m²·day)的水收集效率。Yilmaz团队开发了一种自适应水凝胶与MOF复合材料，无需太阳能加热即可连续运行1440小时，展现了良好的稳定性与高效性。此外，Yu团队开发了基于LiCl的PAM（聚丙烯酰胺）水凝胶，结合亲水网络结构显著降低了解吸能耗，在20%相对湿度下实现了1.1 g/g的高吸水量和快速吸附速率。
尽管该技术在干旱环境中表现出色，但能量需求和吸附/解吸循环效率的匹配仍是实际应用中的主要挑战。未来研究可通过开发低能耗材料、优化吸附器件设计以及结合其他水收集技术，进一步提升性能和降低成本，从而推动基于吸附的水收集技术的商业化应用。
图5. 引入吸湿盐或MOF的水凝胶基吸附剂的材料设计
（A） LiCl和PAM-LiCl水凝胶的水收集过程示意图，（B） LiCl和PAM-LiCl水凝胶的水吸附和解吸动力学，（C）开发的PAM-LiCl水凝胶的循环稳定性，（D）MOF-PNIPAM水凝胶的交联过程示意图，（E）MOF-PNIPAM水凝胶的水吸附和解吸示意图，（F）用于自主AWH的MOF-PNIPAM锥体阵列示意图，（G）MOF-PNIPAM水凝胶的吸水率和左侧离子浓度。
4. 混合水收集技术
基于太阳能集水和空气取水（AWH）的混合集水技术能够最大限度地提高白天和夜间的能源利用效率，从而实现全天候高效制水。Guo等人开发了一种结合光热和焦耳加热功能的集水膜，该膜在白天1个太阳辐射下可实现1.65 kg/(m²·h)的水蒸发速率，同时通过储存热量提升夜间供水能力。为进一步降低额外能耗和成本，研究者将相变材料引入太阳能蒸发膜，用于储存白天的太阳热量以支持夜间水蒸发。Niu等人设计了一种基于相变微胶囊/水凝胶复合材料的太阳能驱动界面蒸发器，在1个太阳辐射下的蒸发速率高达2.67 kg/(m²·h)，而在热释放驱动下，夜间蒸发速率达到0.43 kg/(m²·h)，显著高于自然蒸发效率。
此外，结合太阳能驱动蒸发与雾收集的混合集水技术展现出极大的应用潜力。例如，Shi等人开发了一种具有分层3D微结构的水凝胶薄膜（如图6A-B），该薄膜白天蒸发速率达3.64 kg/(m²·h)，夜间雾收集率高达50 kg/(m²·h)，实现了每天34 kg/m²的淡水产量，足以满足17人饮用需求。Zhou等人进一步提出了一种具有Janus润湿性的凝胶锻造微针薄膜，其白天蒸发速率为2.46 kg/(m²·h)，夜间雾收集率高达30.5 kg/(m²·h)（如图6C-F），这种混合集水装置每天可提供200 kg/m²的淡水供应。通过结合太阳能蒸发和雾收集两种技术的优势，这些混合集水技术显著提高了水收集效率，同时降低了能耗和成本，为干旱或水资源匮乏地区的淡水供给提供了有力支持。
图6. 太阳能驱动界面蒸发和雾收集混合集水结构
（A）和（B）阳能驱动界面蒸发和雾收集混合集水概念示意图，（C）具有Janus润湿性的凝胶锻造微针膜示意图，（D）凝胶锻造微针膜的雾收集过程，（E）金字塔形太阳能驱动界面蒸发装置，（F）金字塔形装置在户外实验中的集水情况
5. 展望
未来，全天淡水供应技术可以从以下几个方向进行探索：
储热材料的三维界面蒸发：三维太阳能驱动界面蒸发结构通过结合相变材料（如水凝胶和聚乙二醇）有效解决了夜间水蒸发率低的问题，白天储存太阳能，夜间释放热量用于蒸发，加速了淡水的产生。这种设计还通过稳定蒸发材料与海水之间的温差，进一步提高了日常淡水供应的稳定性。
辐射冷却驱动的水收集：辐射冷却材料无需能源投入即可提供持续冷却，不仅能促进水结露与凝结，还能在强太阳辐射下实现5°C至15°C的降温，显著提高干旱地区和寒冷环境的水收集效率。此外，这种冷却技术可以与太阳能蒸发相结合，适应不同气候条件，实现全年淡水供应
基于吸附的简便低成本材料：基于吸附的水收集技术在干旱地区具有重要的应用价值，通过高效吸附/解吸循环和潜热回收显著提高了淡水收集效率。研究者开发了融合界面太阳能蒸发与离子液体干燥剂的简便大气水发生器，实现了2.8 kg/(m²·day)的高淡水产量；此外，基于适应性水凝胶和MOF干燥剂的自主大气水发生器，可在无太阳辐射条件下连续供水1440小时。这些进展为低成本、可持续的吸附材料设计和广泛应用奠定了基础。
太阳能加热与外层空间冷却混合集水：白天太阳能加热与夜间辐射冷却相结合的混合集水技术，通过界面蒸发和凝结水收集实现全天候供水。然而，夜间低产水率以及中纬度地区冬季湿度低、太阳辐射弱的问题仍限制了其实际应用。冷却驱动的结冰技术为解决这一难题提供了新的方向，特别是在寒冷气候条件下，可补充传统混合集水的不足。
总体而言，全天淡水供应技术凭借其高效性和多功能性，有望成为未来缓解全球水资源危机的重要解决方案。然而，其进一步发展需要持续的材料创新、技术集成与系统优化。
论文总结
本文系统性地探讨了近期在实现全天候淡水生产方面的研究进展。首先，重点讨论了太阳能驱动的三维蒸发结构，突出了其在白天和夜间实现高效水生产的巨大潜力。随后，围绕三种主要的AW方法——雾汽水收集、结露水收集和基于吸附的水收集，分析了实现全天候供水的有前景材料设计。仿生雾汽水收集材料因其超高产水率受到广泛关注，能够为人类提供充足的淡水资源。然而，其实际应用可能受到水处理需求的限制。此外，辐射冷却材料驱动的结露水收集技术因无需能源消耗且无污染，在中度干旱地区展现出显著的应用潜力。同时，基于吸附的水收集技术在提高效率和降低成本方面取得了重要进展，显示出在干旱和极端环境下的应用前景。未来，太阳能蒸发与雾汽捕捉相结合的混合集水技术因其在提升淡水供应能力方面的潜力而备受关注。此外，进一步探索全天候淡水供应的突破性路径，将为应对全球水资源短缺提供新的解决方案。
团队介绍
论文第一作者为刘俊伟博士，香港理工大学严晋跃教授为本文的通讯作者。
严晋跃教授领衔的国际城市能源研究中心（UEX）致力于解决城市能源及相关环境问题，加速城市实现碳中和目标。该研究中心的研究范围涵盖城市能源科学与技术、能源与新型城市交通运输方式，以及能源与人工智能和数据科学等跨学科交叉领域。UEX汇集了来自世界顶尖研究机构的顶级科学家，旨在研究和开发一系列综合系统解决方案和强大科学工具，以服务城市能源系统的碳中和转型和创新。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.08.026
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