《Nature Water》德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华：纤维素凝胶从空气中取水！

到2030年实现联合国可持续发展目标中的“人人享有安全饮水”，仍然面临巨大挑战。过去十年，全球安全管理饮用水覆盖率虽然从68%提升到74%，但仍有约21亿人无法获得安全饮水；按照当前速度，到2030年也只能达到约77%。传统供水体系高度依赖地表水和地下水，还需要大型净化设施、管网输送和稳定能源，这对于偏远、分散、基础设施薄弱的地区并不友好。空气中其实蕴藏着一个持续更新的“隐形水库”，其含水量甚至超过全球河流总量的六倍以上。问题在于，如何把空气取水真正做成可携带、只靠太阳驱动、并且每天能产升级水的实用系统。

今日，德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授课题组报道了一种野外便携、太阳能驱动、升级规模的大气水收集系统。该系统以层级多孔纤维素凝胶织物为核心吸湿材料，将其组装成紧凑的卷绕式通道化吸附模块，再与太阳能集热脱附装置和流向引导冷凝器耦合，解决了长期困扰空气取水装置的“便携性”和“产水量”难以兼得的问题。在美国奥斯汀约62%相对湿度条件下，双模块一天产水1.3 L，面积产水率达到4.7 L m⁻² d⁻¹；在约26%相对湿度的奇瓦瓦沙漠中，系统仍能实现4.3 L m⁻² d⁻¹的产水率；即使在约0.4个太阳强度的阴天条件下，每个模块也能产水310 mL。相关成果以“Field‑portable, solar‑powered, litre-scale atmospheric water harvesting across climates with gel fabric architecture”为题发表在《Nature Water》上，Weixin Guan, Yaxuan Zhao, He Shan为共同第一作者。

这套系统的思路可以从图1a看起。空气中的水分首先被一块看似普通的“织物吸附剂”捕获，随后这块织物被卷绕成带有层间通道的紧凑吸附柱，在太阳能集热管中受热释放水蒸气，蒸气再被导入冷凝器，最终变成可收集的清水。图1b展示了纤维素凝胶织物本身柔软、大片、可加工的形态；图1c和图1d进一步说明，这套装置可以像户外设备一样背负携带，也可以通过多个模块并联放大，实现真正面向野外场景的部署。图1e和图1f则把这项工作放到已有技术坐标中比较。常见沸石、MOF、吸湿盐和块状水凝胶各有优势，但往往很难同时满足高吸水量、可规模化制备和易于器件集成。研究团队提出的纤维素凝胶织物在吸水能力、可扩展制备和可构型化方面取得了较好平衡。系统层面上，这项工作也不再停留于几十毫升级别的实验室验证，而是在真实户外环境中实现了升级产水，朝“可用的大气取水系统”迈出关键一步。

图1：展示野外便携、太阳能驱动、升级大气取水系统的整体设计

材料为什么能做到既吸水又透气？研究团队选择商业无纺棉作为基础材料，通过两步全水相浸渍法制备纤维素凝胶织物。第一步让引发剂进入纤维内部，第二步在单体和交联剂溶液中原位接枝两性离子聚合物并形成水凝胶网络，之后再负载氯化锂增强吸湿能力（图2a）。两性离子基团可以通过离子–偶极水合作用强烈结合水分，同时削弱纤维素链间氢键，让更多亲水位点暴露出来；凝胶网络则在吸水膨胀时维持结构稳定。

这种制备方式的优势在于，它没有把织物变成一整块致密水凝胶，而是在纤维内部和表面形成凝胶层，同时保留无纺布原有的连通孔道（图2b-e）。图2f和图2g从结构和化学层面继续验证材料变化。XRD中原有纤维素晶体衍射峰减弱并转为宽峰，说明接枝和交联打乱了部分纤维素有序结构；FTIR中出现了磺酸盐相关的S=O振动峰，进一步证明两性离子基团进入材料。最终，图2h给出了最直观的吸水表现：在15%相对湿度下，凝胶织物吸水量约0.89 g g⁻¹；30%相对湿度下达到1.25 g g⁻¹；60%相对湿度下达到2.15 g g⁻¹。这意味着它不仅在潮湿地区有用，在干旱环境中也能从空气中“榨出水来”。

图2：展示纤维素凝胶织物的制备过程、柔性结构和吸水性能

如果说图2解决的是“材料能不能吸水”，图3回答的就是“吸进去的水能不能高效放出来”。研究团队发现，凝胶织物的吸水动力学对样品面积并不敏感。无论是1 cm²、25 cm²还是400 cm²的大面积样品，在30%和60%相对湿度下都保持了相近的吸附趋势（图3a、图3b）。这对放大非常关键，因为很多材料在小样品中表现优秀，一旦做大就会被扩散路径拖慢，而这种纤维织物由于内部孔道连通，面积放大后仍能保持较快吸水。随后，研究团队把织物卷成不同层间距的柱状吸附模块，并用模拟和户外实测共同寻找最佳结构。图3c和图3d显示，层间距越大，水蒸气越容易被带走，Sherwood数越高，脱附越快。但层间距也不能无限增大，因为太大的间距会降低单位体积吸附剂装载量。户外实验表明，10 mm层间距的卷绕结构脱水最快，到14:00时剩余水分明显低于0 mm和5 mm结构（图3e）。图3f进一步揭示了卷绕模块内部的“先外后内”脱附过程：靠近太阳吸收面的外层先升温、先释放水分，随着外层逐渐变干，水分释放中心开始向内层转移。

冷凝器同样决定最终能收集到多少水。传统冷凝腔内容易出现回流和局部滞留，导致蒸气没有充分接触冷凝表面。研究团队设计了带内部导流板的流向引导冷凝器，使水蒸气沿更合理路径流动，增加与冷表面的接触机会（图3g）。户外测试中，这种冷凝器温度比普通冷凝器低约7 ℃，收水量提高约22%，收集效率从约81%提升到89.2%（图3h、图3i）。这说明，空气取水并不是材料单点突破就够了，吸附、加热、传质和冷凝必须像一套完整流水线一样协同工作。

图3：展示系统层面的传质、脱附和冷凝优化

真正的考验来自户外。图4展示了系统在两种截然不同气候中的运行结果。在半湿润的奥斯汀，夜间相对湿度较高，研究团队采用“双批次”运行：两块织物夜间平铺吸水，白天依次卷入太阳能脱附管中释放水分，中午前后达到较高收水速率，14:00左右更换第二批吸附剂继续产水（图4a、图4b）。最终，双模块一天收集到1.3 L水，相当于4.7 L m⁻² d⁻¹（图4c）。到了奇瓦瓦沙漠，空气湿度平均只有约26%，单模块一天也能收集610 mL水，面积产水率达到4.3 L m⁻² d⁻¹，与半湿润气候下的水平非常接近（图4d-f）。这正是该系统的亮点：它不是用固定模式硬扛不同气候，而是根据湿度和太阳条件调整运行节奏。图4g进一步证明，太阳辐照强度越高，模块产水越多；但即便遇到阴天，系统仍能在约0.4个太阳强度下运行，每个模块产水310 mL。图4h则把这一技术推向全球尺度。研究团队基于实测性能估算了全球年均日产水潜力，发现中东、北非、南亚以及撒哈拉以南非洲部分地区等严重缺水区域，恰好也是该系统具有较高产水潜力的区域，部分地区平均面积产水率可达约4 L m⁻² d⁻¹。

图4：展示系统在真实户外气候中的产水表现

小结

总体来看，这项工作展示了一条从材料到系统的一体化空气取水路线。纤维素凝胶织物提供了高吸水量、快传质和可规模化制备基础；卷绕通道结构解决了紧凑装填与快速脱附之间的矛盾；太阳能集热和流向引导冷凝器提升了能量利用与收水效率；气候自适应批次运行则让系统在湿润、干旱和弱光条件下都能保持稳定输出。未来，如果进一步加强盐分固定、降低长期离子迁移风险，并通过工业化制造降低成本，这种便携、模块化、离网运行的大气取水系统有望成为偏远地区、灾害应急和缺水社区的重要补充供水方案，也为2030年可持续饮水目标提供一个更接近现实的技术抓手。

来源：高分子科学前沿