“喝风吐水”！看一块海绵如何改写全球水资源获取新规则 -山东化工网

“喝风吐水”！看一块海绵如何改写全球水资源获取新规则

文章来源：贤集网更新时间：2025-05-21 15:50:41

澳大利亚皇家墨尔本理工大学联合五家中国科研机构，通过材料科学与工程技术的交叉创新，研发出以多孔轻木为基底的海绵状复合材料WLG-15。该材料凭借独特的物理化学特性，构建起全新的空气取水技术体系，为应急救援与偏远地区供水开辟了新路径。

一、材料创新：WLG-15的三元复合结构解析

WLG-15材料的核心优势源于其独特的三元复合结构设计。基底选用密度仅为0.1-0.2g/cm³的多孔轻木（Balsa Wood），其内部呈蜂窝状微米级孔隙结构，比表面积可达15-25m²/g，为水分吸附提供了丰富的物理空间。研究表明，当孔径分布在2-50nm的介孔区间时，水汽分子可通过毛细管凝聚作用实现高效吸附。

功能增强层引入氯化锂（LiCl）作为吸水介质。LiCl在相对湿度40%-90%的环境中，可通过潮解反应与水分子形成水合离子（Li⁺・nH₂O），其理论最大吸水量可达自身质量的3-5倍。实验数据显示，在80%相对湿度条件下，含15%LiCl的复合材料吸水率较纯轻木提升210%。

光热转换层采用粒径约20-50nm的氧化铁纳米颗粒（Fe₂O₃）。该材料在太阳光谱400-1100nm波段具有85%以上的吸收率，通过光热效应将光能转化为热能，使材料表面温度在标准光照下可升高15-20℃。这种温度提升有效促进了吸附水的解吸与汽化过程，实现水分的高效释放。

二、系统集成：空气取水装置的协同工作机制

基于WLG-15材料开发的空气取水装置采用模块化集成设计。核心单元为边长2cm的立方体复合块，通过阵列式排布提升整体取水效率。装置顶部配置抛物面聚光圆顶盖，其光学反射率达92%，可将入射太阳光汇聚至材料表面，强化光热转换效果。

冷却系统由三部分构成：底部的铝制散热块（热导率237W/(m・K)）用于快速传导热量，中间层的半导体制冷片在3.6V供电下可形成10-15℃的温差，顶部的微型轴流风扇（风量1.2m³/h）加速空气对流。该系统使装置内部形成温度梯度，促进水蒸气凝结。

能量供应模块采用单晶硅太阳能电池板（转换效率22%）与超级电容器组合。在标准光照强度1000W/m²条件下，电池板每小时可产生12Wh电能，满足装置连续运行需求。储能单元支持装置在夜间或弱光环境下持续工作4-6小时。

三、性能验证：实验室数据与应用潜力评估

在相对湿度90%、环境温度25℃的实验室条件下，单克WLG-15材料在12小时内可完成吸附-解吸循环，累计产水2.1ml。当湿度降至60%时，产水量下降至1.3ml，但仍优于传统吸湿材料1.8倍。材料循环使用50次后，产水效率衰减率仅为7.2%，展现出良好的耐用性。

通过建立包含湿度、温度、光照强度等12个参数的热力学模型，模拟结果显示：在我国西北地区（年均湿度35%-50%），每平方米装置日均产水量可达4-6L；在东南亚雨季（湿度70%-90%），产水量可提升至12-15L。这一产能足以满足单人日均基本用水需求（3-5L）。

与商业化大气水发生器（AWG）对比，WLG-15装置在低湿度环境下优势显著。在湿度40%条件下，AWG单位能耗产水量为0.8L/kWh，而WLG-15装置仅需0.3kWh/L，能耗降低62.5%。设备成本方面，AWG系统单价约17000美元，WLG-15装置规模化生产成本可控制在200美元/㎡以内。

四、技术演进：从实验室到产业化的跨越路径

研发团队采用机器学习算法构建材料性能预测模型，输入材料配比、孔径分布等23个特征参数，预测产水效率的准确率达91.3%。通过该模型筛选出3种新型复合材料配方，在60%湿度下产水效率较初代提升40%。

中试阶段将开展多场景适应性测试，重点验证极端环境下的运行稳定性。在-20℃低温环境中，材料吸附性能保持率达89%；在沙尘环境下，经特殊涂层处理的装置连续运行72小时无性能衰减。计划在2025年内完成50㎡规模的现场示范工程建设。

产业化进程面临三大关键挑战：规模化生产工艺优化方面，需开发连续化浸渍-干燥生产线，将单批次生产周期从8小时压缩至2小时；材料耐候性提升方面，拟通过纳米涂层技术将紫外线老化寿命延长至5年；标准体系建设方面，正联合国际标准化组织（ISO）制定空气取水装置性能测试规范。

这项基于海绵状复合材料的空气取水技术，通过材料创新与系统集成，突破了传统水资源获取的时空限制。随着技术成熟与产业化推进，其不仅能为灾害救援提供应急供水保障，更有望在全球23亿缺水人口的基本用水需求解决中发挥重要作用。未来，结合智能控制系统与物联网技术，该技术或将重构分布式供水网络，推动水资源利用模式的革命性变革。

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