当今 科学技术发展迅猛 这和人类对资源的开发利用紧密相连 水资源利用是人类不能忽视的领域 因为人类面临的一个根本挑战 是怎样最大程度利用地球上的淡水 下面我们来剖析得出这一观点的缘由先来看地球水资源分布情况。地球上咸水湖、海洋约占所有水资源的97%。只有2.5%的可用水是淡水（如图1所示）。大部分淡水在冰川中。以南北极冰雪形式存在。对人体而言。淡水对维持电解质平衡至关重要。还是人体排泄废弃代谢物的唯一载体。淡水资源分布不均衡。随着科技发展，有限的淡水资源会受到工业污染。淡水资源保护需引起人们重视。人类可供饮用的淡水来源如下。一是地下水。二是地表水，即河流、湖泊。三是海水淡化。此外，空气中含有0.04%的水[1]所以人类要积极探寻淡水资源利用方法并努力实现淡水资源富集与回收。传统淡水收集方式有使用二次能源比如电力的反渗透海水淡化措施。还有使用冷流体的相变冷凝。但这些途径成本极高。还会给海洋周边其他生态带来不良影响值得注意的是科学研究者成功研究出一系列大气集水材料这为应对淡水危机提供了潜在解决方案让我们一同走进今天的科普话题探索其中的奥秘
图 1 展示地球水资源概念图（位于左边）与海水淡水分布图（位于右边） （图源自于）
一、自然中的大气集水现象
大气集水（AWH）按其名是从空气中收集水。自然界里有动物靠从空气中吸收水分存活。像蜘蛛，很多地方都能见到它。每天早上，在蜘蛛丝上很容易发现露珠。这说明蜘蛛丝能从空气中吸收水分。蜘蛛丝集水以曲面内外的压力差为基础。此压力差称作拉普拉斯压力[3]蜘蛛丝有着交替的框架结状纺锤体结构，连接纺锤体的接缝是平行的。因接触角不同，蜘蛛丝上会形成亲水区与疏水区，能实现水的吸附，见图2左图。另外，沙漠中的甲虫靠吸收空气中的水分生存，甲虫背部的突起可吸收空气中的水分。甲虫脊顶部有两个不同部分，有疏水区和亲水区。疏水区能够把液滴引向亲水区。这会致使水滴在亲水区被更多地吸收。水滴在亲水区被更多地积累。[4] 见图2右图
图2蜘蛛和沙漠甲虫大气集水图（图源于）
二、化学材料用于大气集水
科学家受到自然界特定集水生物的启发。他们开始思考能不能研究出一系列材料来实现大气中的高效水收集。大气集水研究借助吸附剂的吸湿性来吸收并保持水分。它能让水在特定刺激下比如温度升高时释放出来。这为干旱或潮湿环境提供了一种实用的现代集水解决方案
1、大气集水的要素
集水必然要探讨影响空气中水含量的决定因素。空气中水含量由三个关键参数所决定，这三个参数分别是相对湿度、空气温度以及总大气压。每单位体积空气中所含的水蒸气量被称作绝对湿度（AH）。在特定温度下，绝对湿度与该温度下饱和湿度的比值就是相对湿度（RH）。在水收集系统里，于阳光充足、环境温度较高且相对湿度较大的炎热潮湿气候条件下，产水量是最高的。
传统意义上集水方式常见的是冷凝集水。湿空气中水蒸气遇到温度低于露点温度的冷凝面。此时水蒸气会释放热量。并且会凝结成液态水。当空气中水蒸气含量达到饱和。其饱和水蒸气压力和环境温度相等。若环境温度降低，饱和水蒸气压力也会降低。这会致使水蒸气凝结成水。此途径在工厂中应用较多。然而，若冷凝水汇集点压力不一致，因压差冷凝水回收系统运行会不畅。另外，该技术用于大气集水时效率不佳，所以不作为大气集水主要手段
吸附是水分子在材料表面聚集的过程。大气集水最常用的措施是吸附。水蒸气吸附依靠水蒸气与吸附材料的相互作用。它分为物理吸附和化学吸附。物理吸附通常由范德华力、伦敦色散力等驱动。但其相互作用弱。效率低。与之形成对比的是 化学吸附在水分子和集水材料表面之间形成更强的键 通常是不可逆的键 这个过程特点是吸收能量更高 因为它涉及共价键或离子键的产生 氢键在水蒸气吸附中起至关重要的作用 它指一个氢原子与电负性很强的原子共价结合 比如氧 氮或氟 并与另一个电负性原子相互作用这些键强度差别显著，受供体与受体原子性质影响，氢键强度范围各异。此外，吸附是水分子附着于材料表面，吸收是水分子与材料整体结合致使材料成分改变。对于吸收过程，膜理论科学阐释了大气集水中水分子收集机制。膜理论称气液界面为两个不同层，单独层中分子运动受限。这些层是主要的传质阻力区。吸收过程主要依赖层间扩散作用。它把水蒸气分子从大气气相转变为液相。进而被吸附材料吸收。被吸收的水分子经过解吸步骤。通常是施加一定温度。之后将吸收的水解吸供人类利用。
2、用于大气集水的吸附材料
多孔固体有着发达的孔隙度和巨大的表面积。它擅长吸附水分子。所以本文主要讨论一系列多孔材料在大气集水中的应用。
2.1传统多孔固体
2.1.1沸石
沸石是一种分子结构。它因独特表面特性及结构中含铝、硅、磷、钠等元素，有很好的吸收水蒸气能力，见图3。其结构中有结晶铝硅酸盐，即便在较低相对湿度下，也能吸收水蒸气。不过因与水分子键合较强，吸附后水分子解吸困难。沸石的水蒸气吸附能力主要取决于其结构中的比例沸石中的铝是吸附位点。它能与水分子配位。铝的量会影响对水的吸附能力。沸石的多孔结构决定其吸水能力。较大的孔隙体积通常导致高吸附能力。水分子进入沸石结构后。水被孔隙中的正电荷极化。因范德华力而被吸附。这是它们的本质。经过气液扩散作用。该作用持续到孔隙中充满水分子。然而 它对水有高亲和力 这使得它难以释放水 并且它需要高能耗 所以它不适合高效的大气集水
图3沸石样貌（图源于）
2.1.2硅胶
硅胶是纳米级多孔聚合物，其表面有大量羟基。其表面羟基能与空气中水分子结合，所以吸附速率随表面羟基数量增多而提高。硅胶有纳米级孔隙，比表面积高，可用来吸收水分。但在相对湿度低时无法吸水，也就是说不适合在干燥空气中产生水[7]
2.2当下的多孔固体
2.2.1金属有机框架材料（MOF）
金属有机框架材料（MOF）由两个主要成分构成。其一为金属离子或金属离子簇。其二是一种名为连接子的有机配体。MOF由金属离子组成。这些金属离子与有机分子键合。进而形成结晶、多孔的结构。并且依据金属位点和配体的差异。MOF的结构能够灵活调控。结构如图4所示MOF在大气集水方面，关键因素是其水解稳定性。这是调控结构实现高效集水的基础。MOF受潮或遇水时，金属 - 配体键易受水攻击而解体。在MOF组装里，羧酸配体（硬路易斯碱）会和高价金属离子（硬路易斯酸）配对。或者偶氮酸配体（软路易斯碱）与二价过渡金属离子（软路易斯酸）配对。这被广泛用于解决MOF的水解稳定性问题。高价金属离子跟羧酸配体能够形成高度连接的金属节点和配体。这是热力学稳定的。也是动力学稳定的。MOF的吸水能力关键由其结构里的亲水基团决定。在有多孔和亲水结构的MOF吸附剂中，水先在初级亲水位点被吸收，接着开始以水团簇的形式生长。首先，水蒸气分子被吸附在MOF结构中靠近离子簇的极性亲水中心附近。然后，吸附在这些位点的水分子能作为额外的吸附位点，进而引发水团簇的形成[8]。
图4 MOF材料示意图（图源于）
2.2.2共价有机框架材料（COF）
COF和MOF类似 它是具有扩展网状结构的一类材料 COF由坚固共价键连接有机建筑单元构成 并非MOF的金属配位键 所以COF有更优异的水解稳定性 这对集水应用很关键 还能通过有机合成策略精确定制二维或三维结构的COF 当下相关研究日益增多在一些COF研究里，亚胺连接的COFs一般是经芳香胺与醛借助动态希夫碱反应合成的。亚胺键具备氢键能力，所以能当作主要的水吸附位点。主要的相互作用常常涉及极性位点的氢键作用，由此形成层或团簇，最终形成孔隙填充[9]。
三、大气集水的研究案例
2024年，Li等人开发了一种新型Co-MOF材料，该材料具有优异水蒸气容量，如图5所示。Co-MOF-31通过溶剂热法合成，在低相对压力下，其吸附容量可达0.79 g水/g吸附剂，饱和吸附容量高达0.98 g水/g吸附剂，这是因为有丰富的开放金属位点。适当的有机配体与金属盐有效结合，产生了暴露的亲水基团。同时，还产生了极高的比表面积，其数值为1619.3平方米每克。另外，Co - MOF - 31在大于20次吸水和释放循环后，仍能保持初始吸水量的96%。
图5 Co-MOF材料大气集水示意图[10]
2024年 Paul Schweng 等人[11]进行了报道。他们报道的是一种磺酸盐修饰的共价有机框架（COF-SO3H）。这种框架能够在干旱条件下收集大气水。相关情况如图6所示COF-SO3H具备良好的集水能力。在10%的低R相对湿度情况下，它能达到0.12 g水/g吸附剂的吸附容量。甚至在5%的低相对湿度（RH）时，可达到0.88 g水/g吸附剂吸附容量。这种低相对湿度环境代表着地球上一些极为极端的条件研究有新发现。和非磺化COF相比。磺酸盐部分加入到COF中。COF的亲水性大幅提升。这很好地证实。在炎热且干旱的地区。引入这些亲水位点。对水分吸收有益处。
图6磺酸盐修饰的共价有机框架材料大气集水示意图[11]
2024年，Fu等[12]人报道了一种复合气凝胶吸附剂。它具有绿色环保的特性。它具有低成本的特点。它具备可降解的特性。它拥有快速吸湿-解吸动力学。除了我们上述提到的框架材料外。该复合吸附剂的气凝胶骨架由水溶性生物质材料海藻酸钠（SA）和羧甲基壳聚糖（CCS）构成。通过定向冷冻构建出垂直排列的单向孔隙结构。还引入了纳米碳粉来提高太阳光热性能。同时引入吸湿盐氯化钙（CaCl2）来提高吸水率。如图7所示。结果显示，复合吸附剂在相对湿度为30%至90%时，具备良好的吸水能力。在90%相对湿度下，达到1克每克吸水量所需时间仅为2.5小时。最终，在12小时内，吸水率能达到1.9克水每克材料。
图7复合气凝胶吸附剂材料大气集水示意图[12]
四、结语
图8 MOF-303大气集水装置收集水示意图[13]
大气集水是个热门研究领域 能为解决人类水危机提供持续方案 未来应关注把吸附材料和装置结合 推动大气集水研究实用性发展 比如 MOF/COF之父Omar M. Yaghi团队 曾用微孔铝基金属有机框架MOF-303开发实用集水器 如图8所示该集水器能借助太阳能供电持续运作。当系统配备MOF - 303时，在27℃干旱环境、32%相对湿度条件下，每千克MOF每天可产生1.3L水。有几种研究途径有待进一步探究。其一，要开发具备高吸附能力且易于释放的新材料，优先考虑环保无毒的材料，以此保证吸附水的水质，用于后续使用。这对提高吸附剂材料效率至关重要总之 我们要多留意该领域的进展 并且在生活里节省淡水 自觉成为一名保护水资源的卫士
参考文献
施耐德 S H 著。《气候与天气百科全书》。牛津大学出版社，2011 年。
冯A、阿克瑟N、段XF等人。大气水收集材料的最新进展：综述[J]。《美国化学会材料金刊》，2022年，2（5），576 - 595页
刘K、姚X、蒋L。生物启发的特殊润湿性的最新进展。《化学学会评论》，2010年，39卷，3240 - 3255页。
朴KC。关于光滑不对称凸起上的凝结现象。《自然》，2016年，第531卷，第78 - 82页。
雷CX、关WX、于GH。用于大气水收集的化学物质和材料。《化学学会评论》，2024年，第53卷，7328 - 7362页。
米塔尔·H、阿利利·A·A、阿尔哈桑·S·M。新型超多孔水凝胶复合材料对水蒸气的吸附等温线及动力学[J]。《微孔与介孔材料》，2020年，第299卷，第110106页
王L、王R、奥利维拉R。一篇关于制冷吸附工质对的综述[J]。《可再生与可持续能源评论》，2009年，第13卷，第518 - 534页。
卡尔穆茨基M J、迪克斯C S、亚吉奥M。用于从空气中收集水的金属有机框架[J]。《先进材料》，2018年，30卷，1704304页
阮氏荷莲、哈尼克尔、莱尔等。一种具有镂空方格拓扑结构用于大气集水的多孔共价有机框架。《美国化学会志》，2020年，第142卷，2218 - 2221页。
李SH、吴P、陈L等人。具有丰富亲水基团和开放金属位点的钴基金属有机框架增强大气水收集。《水工艺工程杂志》，2024年，58卷，104899页。
施温格·P、李·C、古根贝格尔·P等人。一种用于大气水收集的磺化共价有机框架[J]。《化学·可持续化学》，2024年，第17卷，e202301906
傅CH、詹DY、田GY等人。用于大气水收集的仿生气凝胶复合材料[J]。《美国化学会应用材料与界面》，2024年，第16卷第27期，第35740 - 35751页。
Hanikel N、Prévot M S、Yaghi O M等人。金属有机框架集水器中的快速循环和优异产量。[J]《美国化学会中心科学》，2019年，5(10)，1699 - 1706。
