一种新型的从空气中提取水的技术：利用缓慢扩散的笼状化合物对易吸湿盐溶液进行淡化处理

《Environmental Science: Water Research & Technology》：A novel water-from-air technology: creeping clathrate desalination of deliquescent salt solutions

水从空气获取、钾醋酸盐、水合物脱盐、蠕动效应、反应器设计优化、能源效率、大气水收集、物理分离。

　　随着全球人口的持续增长和水资源的不断枯竭，淡水短缺已成为一个日益严峻的全球性挑战。传统的淡水生产方法通常依赖于液态水源，这使得它们在偏远或干旱地区难以应用。为了应对这一问题，科学家们一直在探索新的技术，以实现从空气中提取水分的目标。然而，目前的空气取水技术往往受到高能耗和气候条件的限制。本研究提出了一种基于笼状水合物的新型脱盐方法，利用吸湿性盐溶液在空气中的水分吸收，通过特殊的物理分离机制实现高效的水分提取与纯化。这种方法在能源效率方面展现出显著优势，为未来解决全球水资源危机提供了新的思路。

吸湿性盐溶液在空气中的水分吸收是这一过程的基础。以乙酸钾（KAc）作为模型盐，它在相对湿度仅为23.3%时即可发生吸湿反应，形成高浓度的盐溶液（在90%相对湿度下，其盐浓度可达17.8 wt%）。这一特性使得KAc在较为干燥的环境下也能有效吸收水分，从而为后续的脱盐步骤提供了充足的原料。在脱盐过程中，研究人员利用了“笼状水合物爬行”现象，即水合物在固体表面（如反应器壁）上生长，形成一种具有高度选择性的分离机制。这种机制能够促进水合物与剩余盐水的物理分离，从而显著提高脱盐效率。

通过实验，研究人员在特定条件下实现了高达84%的纯化率。他们使用了两种不同尺寸的不锈钢反应器，分别填充了约一半的溶液（1.00 mL和60.0 mL）。在较小的反应器中，观察到了明显的“笼状水合物爬行”现象，水合物沿着反应器壁生长，使盐水与水合物分离变得高效。而在较大的反应器中，由于几何结构的限制，爬行现象并未发生，水合物直接浮于盐水之上，导致分离困难，纯化率仅为5.85%。为了验证几何结构对爬行现象的影响，研究人员在大型反应器中插入了PVC管，模拟出更小的三相边界，从而成功重现了爬行现象。结果表明，水合物在PVC管中形成了一种多晶结构，其盐含量显著低于整体水合物，达到了17%的水分回收率和84%的纯化率。

这一过程的关键在于三相边界的存在，即气体、液体和反应器壁之间的接触界面。研究表明，该界面的几何特征对水合物的形成和分离至关重要。接触角是影响三相边界行为的重要参数，当接触角低于90°时，爬行现象更易发生。然而，在高浓度盐溶液中，接触角可能会增加，从而阻碍爬行过程。实验发现，尽管两种反应器均采用不锈钢材质，但其表面粗糙度不同，导致接触角的差异。PVC管由于其较低的接触角（约74°），能够更有效地促进爬行现象，提高脱盐效率。因此，优化反应器的几何结构和表面特性是提升这一技术性能的重要方向。

从能量角度来看，这一过程具有显著的优势。与传统的空气取水技术相比，基于笼状水合物的脱盐方法在能耗方面表现更优。实验中采用的CH?作为水合物形成气体，在60 bar压力下即可实现水合物的生成，而无需像其他方法那样使用高达300 bar的压力。此外，通过控制水合物的形成速率，可以减少能耗并提高纯化效率。研究还指出，使用二氟甲烷（R-32）作为替代气体，可以在8 bar压力下实现水合物形成，但高形成速率导致水合物结构不完整，从而降低了纯化效果。这表明，缓慢的水合物形成过程有助于形成有序的结构，从而有效排除盐分。

为了进一步验证这一技术的可行性，研究人员还评估了其在实际应用中的能量需求。计算结果显示，结合水合物生成和反渗透步骤，该过程的单位能耗（1–10 L kWh?1）已超过传统吸湿性材料的取水效率（0.1–1 L kWh?1），并且与主动空气冷却系统（1–10 L kWh?1）相当。这一结果表明，基于笼状水合物的脱盐方法在能量效率方面具有竞争力，尤其适合在偏远地区部署。此外，通过进一步优化反应器设计和爬行机制，有望在更低的温度和压力条件下运行，从而进一步降低能耗，提高系统的可持续性。

研究还指出，尽管当前的实验结果展示了该技术的潜力，但在实际应用中仍需对取水后的水质进行全面评估。除了关注盐分的去除率外，还需要通过总溶解固体（TDS）测定、离子色谱分析和微生物检测等方法，确保最终获得的水符合饮用标准。这表明，虽然基于笼状水合物的脱盐方法在纯化效率上表现优异，但在推广过程中仍需考虑水质安全和环境影响。

从技术角度来看，这一方法的优势在于其能够利用空气中广泛存在的水蒸气，而无需依赖液态水源。这使得它在远离常规水源的地区具有独特的优势。同时，由于水合物的形成和分解过程可以通过调节温度和压力实现，这一技术具备良好的可控性。此外，水合物的形成和分离过程可以通过设计优化，进一步提高水分回收率和纯化效率。例如，通过增加反应器内的三相边界面积，可以促进水合物的形成和爬行，从而提高系统的整体性能。

然而，这一技术仍面临一些挑战。首先，水合物的形成和分离过程对温度和压力条件较为敏感，这可能限制其在某些环境中的应用。其次，尽管实验中已观察到较高的纯化率，但在大规模应用中仍需进一步验证其稳定性和重复性。此外，水合物的回收和再利用也是需要解决的问题，尤其是在长期运行中如何保持系统的高效性和可持续性。因此，未来的研究应重点关注这些方面，以推动该技术的商业化和实际应用。

总的来说，基于笼状水合物的脱盐方法为解决全球淡水短缺问题提供了一种新的思路。它不仅能够利用空气中的水分，还能在较低的能耗条件下实现高效的纯化。通过优化反应器设计和水合物形成条件，该技术有望在能源效率、水质安全和环境适应性方面取得更大的突破。未来，随着材料科学和工程设计的进步，这一方法可能成为一种重要的替代技术，为全球水资源管理提供新的解决方案。