如何從空氣中提取水？

2013年，英國工業設計大獎詹姆斯·戴森獎頒給了27歲的澳洲設計師Edward Linacr。他憑藉一個簡易高效的集水器擊敗了許多科學發明家作品，斬獲了1萬英鎊的獎金。這個名為「Airdrop」的集水器，靈感來自於納米比沙漠甲蟲的仿生設計，不僅能為撒哈拉這樣極度乾旱地區的人們帶來福音，甚至能應用於醫療、軍事等領域。Airdrop能從最乾澀的空氣中汲取到實實在在的水，這種「無中生有」的技術是之前的澆灌方法所不具備的。那麼，這種從空氣中提取水分的技術是如何實現的？

澳洲設計師Edward Linacr與集水器Airdrop

空氣中到底有沒有水？　　

我們在夏天的時候，經常看到很多人家家裡的空調會朝地上滴水。那麼，空調里的水是從哪裡來的呢？當然就是從空氣中來的，這說明空氣中確實含有水，而且數量還不少。　　一個立方米的空氣中大約含有多少水？ 　　

濕度一般在氣象學中指的是空氣濕度，它是空氣中水蒸氣的含量。空氣中液態或固態的水不算在濕度中。不含水蒸氣的空氣被稱為干空氣。由於大氣中的水蒸氣可以占空氣體積的0%到4%，一般在列出空氣中各種氣體的成分的時候是指這些成分在干空氣中所佔的成分。所以我們可以估計出1立方米的空氣中到底還有多少克的水。因為1立方米的空氣大約是1000/22.4摩爾 ，也就是差不多就是4.5摩爾。 那麼假設空氣中含有4%的水蒸氣，那就是4.5X4%=0.18摩爾。水的分子量是18，也就是一摩爾的水的質量是18克，0.18摩爾水的質量就是大約是2.56克。 　　

因此，要從空氣中提取水，必須先收集空氣，這一個過程實際上就是對水進行富集。

怎樣才能把水蒸氣變成水後從空氣中提取出來？

水蒸氣是氣體，所以在寫字的時候，很多人因為不知道這一點，把水蒸氣寫成「水蒸汽」，這是不規範的寫法。但在很多地方謬傳，三點水的「汽」一般不表示氣體。水蒸氣從氣體變成液體的水，這一個物態變化的過程，稱為液化。從空調滴水的例子中我們可以看到，空氣被壓縮以後，很容易讓這裡面的水蒸氣快速液化。而在蒸飯的時候，我們也可以看到水蒸氣冒出來後液化，這一個過程則說明，在空氣中水蒸氣有一定的飽和濃度，這個飽和濃度對應一個氣體壓強就叫做飽和氣壓。　　

1.對於水，在任意溫度下，都有不同的飽和蒸汽壓(即水蒸氣在空氣中的分壓，通常情況下隨溫度升高而升高，在0K時為0)。 　　

2.水是否會發生相變(液化等)，取決於空氣中水蒸氣的分壓與該溫度下的飽和蒸汽壓的關係：如果此刻空氣中水蒸氣的分壓大於飽和蒸汽壓，則發生液化；反之，則發生氣化。 　　

因此，冷庫中即使溫度再低，飽和蒸汽壓也不會為0，因此始終會有水蒸氣存在；高溫水蒸氣是否液化，還要看它的壓強，只有兩個狀態參數(從溫度、壓強、焓、熵等熱力學量中任意選擇兩個物理量來描述)才能完整的表達水蒸氣的狀態，另外，由於溫度越低，飽和蒸汽壓越低，則更有利於液化。

液化的過程用什麼物理方程來描述？　

我們知道，物質一般有氣態，液態與固態這三種基本的物理狀態，當然更複雜物態還包括等離子狀態以及超導狀態，甚至玻色愛因斯坦凝聚狀態。這些狀態背後的物理知識是非常龐雜的。但從氣態變成液態來說，就有很複雜的一套物理理論。大家可能都知道理想氣體，所謂理想氣體就是氣體分子與分子之間除了碰撞以外沒有其他相互作用，而碰撞是瞬間發生的，碰撞時間小於10的-20次方秒，基本可以認為在一瞬間。這就是所謂的硬球碰撞模型，在這個模型中，因為氣體分子之間不存在長程的相互作用，所以氣體的熱力學參數是永遠滿足方程PV=NKT，這個方程名叫克拉伯龍方程，有時候也被稱為理想氣體狀態方程。這個方程中p表示氣體的壓強，v表示氣體的體積，N是氣體的分子個數，是一個天文數字，K被稱為玻爾茲曼常數，是一個非常非常小的數，象徵了氣體的熵的微觀起源，這個常數具有熵的量綱。T表示氣體的溫度。

在這個方程中，隨著溫度T的降低，體積可以不斷變小，壓強也可以不段變小，但是氣體不會液化，這是與我們日常見到的水蒸氣液化成水的現象不符合的。後來，一個叫范德瓦爾斯的年輕博士生在1873年修改了這個理想氣體狀態方程，范德瓦爾斯氣體模型里，氣體分子被看作半徑為r0的不能發生形變的剛球，儘管這樣做同時也忽略了分子間的斥力，但氣體就不能像理想氣體一樣可以被無限壓縮了，每個氣體分子是剛性的小球——就好象很多網球在空中飛舞，每個小球至少會佔據4/3·πr0^3的球體體積。所以范德瓦爾斯在氣體的體積項里引進了的修正項b——V被修正為(V-Nb)。

范德瓦爾斯

另一方面，在分子間距r大於等於2r0時，范德瓦爾斯模型考慮分子間的引力，假定引力正比於分子間距r的負數次方。這樣，相對於理想氣體，范德瓦爾斯氣體的壓強會減小，這樣又引入了壓強的修正項a——p被修正為(p+ N^2·a/V^2)。

綜合以上兩方面，范德瓦爾斯狀態方程為(p+N^2·a/V^2)(V-Nb)=NRT。他的文章在《自然》雜誌上發表以後，得到了著名物理學家麥克斯維的肯定，因此被廣泛傳播。在這個方程中，隨著T的降低，氣體就會變成液體。這就是水蒸氣能夠液化所依據的物理方程——范德瓦爾斯方程。下面來看看在實際中的應用：在沙漠中，通過空氣提取水分。

空中水滴灌溉系統

身居澳洲多年的Edward Linacr和很多人一樣，並不喜歡這裡的乾燥，因而對乾旱氣候的成因和應對措施也做了許多調查研究。憑藉專業的直覺，他從沙漠甲殼蟲身上獲得了靈感。生活在沙漠邊緣的人都知道納米比沙漠甲蟲的聰明之處，它沒有駱駝的儲水駝峰，也不必像沙狐一樣挖深深的洞，卻能在一夜之間集滿一天所需的水分。它的做法很簡單：找到一個空氣流通性好的高坡，抬起後腿和翅殼，讓水分子一點點凝聚。當天光微啟的時候，它就能收集相當可觀的露水量。Edward的仿生設計正是緣於此。Airdrop系統的根部深植在地表以下，通過地下的自供電水泵將外部空氣吸入地下並加以冷凝。當溫度降到冷凝點以下時，管道內層就會有露珠出現，而獲得的水分會被迅速地送入地底，直接灌溉到植物的根部。

即便是在乾旱沙漠地帶，它也能從1立方米的空氣中汲取11.5毫升的水量，一天內的集水量可達到1公升。而到了夜晚，集水器的效率會變得更高。即便是出現了百年一遇的大旱，都不必擔心莊稼乾渴致死，因為Airdrop能從最乾澀的空氣中汲取到實實在在的水，這種「無中生有」的技術是之前的澆灌方法所不具備的。

澳洲設計師Edward Linacr與集水器Airdrop

為了進一步提高冷凝的速率，Airdrop的上部分搭載了渦旋銅管系統，能輕鬆過濾掉空氣中的塵埃和熱量。而銅管內部也附有羊毛狀的銅絲，使之與空氣的接觸面積最大化。

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