如何从空气中提取水？
2013年，英国工业设计大奖詹姆斯·戴森奖颁给了27岁的澳洲设计师Edward Linacr。他凭借一个简易高效的集水器击败了许多科学发明家作品，斩获了1万英镑的奖金。这个名为“Airdrop”的集水器，灵感来自于纳米比沙漠甲虫的仿生设计，不仅能为撒哈拉这样极度干旱地区的人们带来福音，甚至能应用于医疗、军事等领域。Airdrop能从最干涩的空气中汲取到实实在在的水，这种“无中生有”的技术是之前的浇灌方法所不具备的。那么，这种从空气中提取水分的技术是如何实现的？
空气中到底有没有水？
我们在夏天的时候，经常看到很多人家家里的空调会朝地上滴水。那么，空调里的水是从哪里来的呢？当然就是从空气中来的，这说明空气中确实含有水，而且数量还不少。 一个立方米的空气中大约含有多少水？
湿度一般在气象学中指的是空气湿度，它是空气中水蒸气的含量。空气中液态或固态的水不算在湿度中。不含水蒸气的空气被称为干空气。由于大气中的水蒸气可以占空气体积的0%到4%，一般在列出空气中各种气体的成分的时候是指这些成分在干空气中所占的成分。所以我们可以估计出1立方米的空气中到底还有多少克的水。因为1立方米的空气大约是1000/22.4摩尔 ，也就是差不多就是4.5摩尔。 那么假设空气中含有4%的水蒸气，那就是4.5X4%=0.18摩尔。水的分子量是18，也就是一摩尔的水的质量是18克，0.18摩尔水的质量就是大约是2.56克。
因此，要从空气中提取水，必须先收集空气，这一个过程实际上就是对水进行富集。
怎样才能把水蒸气变成水后从空气中提取出来？
水蒸气是气体，所以在写字的时候，很多人因为不知道这一点，把水蒸气写成“水蒸汽”，这是不规范的写法。但在很多地方谬传，三点水的“汽”一般不表示气体。水蒸气从气体变成液体的水，这一个物态变化的过程，称为液化。从空调滴水的例子中我们可以看到，空气被压缩以后，很容易让这里面的水蒸气快速液化。而在蒸饭的时候，我们也可以看到水蒸气冒出来后液化，这一个过程则说明，在空气中水蒸气有一定的饱和浓度，这个饱和浓度对应一个气体压强就叫做饱和气压。
1.对于水，在任意温度下，都有不同的饱和蒸汽压(即水蒸气在空气中的分压，通常情况下随温度升高而升高，在0K时为0)。
2.水是否会发生相变(液化等)，取决于空气中水蒸气的分压与该温度下的饱和蒸汽压的关系：如果此刻空气中水蒸气的分压大于饱和蒸汽压，则发生液化；反之，则发生气化。
因此，冷库中即使温度再低，饱和蒸汽压也不会为0，因此始终会有水蒸气存在；高温水蒸气是否液化，还要看它的压强，只有两个状态参数(从温度、压强、焓、熵等热力学量中任意选择两个物理量来描述)才能完整的表达水蒸气的状态，另外，由于温度越低，饱和蒸汽压越低，则更有利于液化。
液化的过程用什么物理方程来描述？
我们知道，物质一般有气态，液态与固态这三种基本的物理状态，当然更复杂物态还包括等离子状态以及超导状态，甚至玻色爱因斯坦凝聚状态。这些状态背后的物理知识是非常庞杂的。但从气态变成液态来说，就有很复杂的一套物理理论。大家可能都知道理想气体，所谓理想气体就是气体分子与分子之间除了碰撞以外没有其他相互作用，而碰撞是瞬间发生的，碰撞时间小于10的-20次方秒，基本可以认为在一瞬间。这就是所谓的硬球碰撞模型，在这个模型中，因为气体分子之间不存在长程的相互作用，所以气体的热力学参数是永远满足方程PV=NKT，这个方程名叫克拉伯龙方程，有时候也被称为理想气体状态方程。这个方程中p表示气体的压强，v表示气体的体积，N是气体的分子个数，是一个天文数字，K被称为玻尔兹曼常数，是一个非常非常小的数，象征了气体的熵的微观起源，这个常数具有熵的量纲。T表示气体的温度。
在这个方程中，随着温度T的降低，体积可以不断变小，压强也可以不段变小，但是气体不会液化，这是与我们日常见到的水蒸气液化成水的现象不符合的。后来，一个叫范德瓦尔斯的年轻博士生在1873年修改了这个理想气体状态方程，范德瓦尔斯气体模型里，气体分子被看作半径为r0的不能发生形变的刚球，尽管这样做同时也忽略了分子间的斥力，但气体就不能像理想气体一样可以被无限压缩了，每个气体分子是刚性的小球——就好象很多网球在空中飞舞，每个小球至少会占据4/3·πr0^3的球体体积。所以范德瓦尔斯在气体的体积项里引进了的修正项b——V被修正为(V-Nb)。
另一方面，在分子间距r大于等于2r0时，范德瓦尔斯模型考虑分子间的引力，假定引力正比于分子间距r的负数次方。这样，相对于理想气体，范德瓦尔斯气体的压强会减小，这样又引入了压强的修正项a——p被修正为(p+ N^2·a/V^2)。
综合以上两方面，范德瓦尔斯状态方程为(p+N^2·a/V^2)(V-Nb)=NRT。他的文章在《自然》杂志上发表以后，得到了著名物理学家麦克斯维的肯定，因此被广泛传播。在这个方程中，随着T的降低，气体就会变成液体。这就是水蒸气能够液化所依据的物理方程——范德瓦尔斯方程。下面来看看在实际中的应用：在沙漠中，通过空气提取水分。
身居澳洲多年的Edward Linacr和很多人一样，并不喜欢这里的干燥，因而对干旱气候的成因和应对措施也做了许多调查研究。凭借专业的直觉，他从沙漠甲壳虫身上获得了灵感。生活在沙漠边缘的人都知道纳米比沙漠甲虫的聪明之处，它没有骆驼的储水驼峰，也不必像沙狐一样挖深深的洞，却能在一夜之间集满一天所需的水分。它的做法很简单：找到一个空气流通性好的高坡，抬起后腿和翅壳，让水分子一点点凝聚。当天光微启的时候，它就能收集相当可观的露水量。Edward的仿生设计正是缘于此。Airdrop系统的根部深植在地表以下，通过地下的自供电水泵将外部空气吸入地下并加以冷凝。当温度降到冷凝点以下时，管道内层就会有露珠出现，而获得的水分会被迅速地送入地底，直接灌溉到植物的根部。
即便是在干旱沙漠地带，它也能从1立方米的空气中汲取11.5毫升的水量，一天内的集水量可达到1公升。而到了夜晚，集水器的效率会变得更高。即便是出现了百年一遇的大旱，都不必担心庄稼干渴致死，因为Airdrop能从最干涩的空气中汲取到实实在在的水，这种“无中生有”的技术是之前的浇灌方法所不具备的。
为了进一步提高冷凝的速率，Airdrop的上部分搭载了涡旋铜管系统，能轻松过滤掉空气中的尘埃和热量。而铜管内部也附有羊毛状的铜丝，使之与空气的接触面积最大化。
- 发表于 2014-10-19 00:00
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