取水新概念:從空氣中的巨大湖泊裏取水喝

瓦爾卡塔 Image copyright Warka Water

從乾燥的沙漠到潮濕的城市,所有空氣中都含有水汽,全球估計有3,100立方英里(1.29萬立方千米)的水以濕氣的形式漂浮在我們周圍的空氣裏,水量多於北美最大的湖泊蘇必利爾湖(Lake Superior,1.16萬立方千米),或者差不多相當於5個維多利亞湖(Lake Victoria,非洲最大湖泊,2700立方千米)。或者,是尼斯湖(Loch Ness)的418倍之巨。

但我們說的並不是雲,而是我們所呼吸的空氣中的濕氣,它可以化成冷飲杯身上的水珠,或是草葉上的晨露。將這些濕氣作為飲用水加以採集的技術競賽,眼下正在展開。如果新出現的「空氣水」設備能夠破解這個難題,將會在解決世界淡水問題上大有作為。

到2025年,世界三分之二的人口(而且在快速增長中)將嚴重缺水。目前,已經有21億人缺乏乾淨的飲用水。最貧窮的人明知道水不安全卻別無選擇不得不喝,並為此付出了高昂的代價,受污染的飲用水每年導致50萬人死於腹瀉。而富裕些的國家,因為集約化的農業和工業,比貧窮國家消耗的水量更多,地下水和地表水的消耗速度均超過了補給速度。

除此之外,還有信任問題,民眾懷疑當局在水質安全上不說實話。在美國密歇根州弗林特市,人們發現自來水含有放射性物質,以及砷和鉛。中產階級轉而喝瓶裝水。自2013年以來,全球瓶裝水市場每年增長10%,2017年銷售量達到3910億升(比15萬個奧運游泳池的水量加起來還要多)。

減少疾病和貧困迫切需要一個可行的、無需電網供電的淡水來源,而且對富裕消費者也很有吸引力。

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Image caption 在美國密歇根州弗林特市,民眾對水質的擔憂引發了大規模抗議。

從無形的空氣中抽出水來並不是什麼新概念,你家裏可能有除濕機,它就在做這件事。但它收集的水不乾淨,也不含人體所需的礦物質,耗能對於滿足一戶家庭的用水需求也是不現實的,就更別說整個社區了。

不過,有幾家企業採用了除濕機的技術來收集飲用水。機械除濕設備包含充滿了制冷氣體的制冷金屬盤管,跟廚房的冰箱非常像,製造出一個「露點」(指空氣中的水汽飽和,水從氣態變成液態的溫度,冰鎮飲料杯身上的水珠就是這種變化)。進入空氣水裝置的水汽以相同的方式冷凝在制冷盤管裏,但還要經過過濾、紫外線消毒、礦化,然後才儲存在食品級的水箱中以供飲用。

加拿大的水務顧問沃爾格倫(Roland Wahlgren)一直在自己的網站Atmoswater.com上更新著空氣水的最新成果。在他數據庫中保持活躍的71家企業當中,有64家專注於機械制冷,令機械制冷成為了市場的主流技術。沃爾格倫估計,耗電量大多為每升水0.4千瓦時(按美國目前的電費計算為每升水5.2美分)。

以南非企業Water from Air為例,它生產的家用空氣水飲水機每天可以生產32升水。與傳統飲水機相比,好處是不用總換塑料水桶,它可以自己從無形的空氣裏汲取水。還有印度的WaterMaker公司,產品型號從小型到大卡車尺寸的都有,後者"適合村莊(和)封閉社區"。

然而,要想發揮最佳效能,很多設備還需要一些重要條件。比如,效率高低通常取決於相對濕度——空氣中的水分含量與達到飽和所需水量的百分比。對於大多數設備而言,相對濕度超過60%才能獲得最理想的效果,如果你住在哥斯達黎加就沒問題,濕度通常達到90%甚至更高;如果你住在伊朗,就不那麼理想了,伊朗的濕度可能會降到17%。但一家名為Requench的英國新企業將於今年(2018年)晚些時候進入市場,它推出的設備大小相當於一個集裝箱,據說在相對濕度只有15%的情況下也能運轉。樣機在潮濕環境下每天可生產2000升水,即使氣候乾燥也不少於500升。

另一種解決方案則可能採用完全不同的空氣水技術。它不使用制冷盤管,改用「乾燥劑」材料,像一塊化學海綿般從空氣裏吸收水分,而且零耗能。這種技術最近才從研發走向商品化,沃爾格倫說:「乾燥劑系統可以採用更便宜的原材料,所以生產同樣多的水,成本可能比機械除濕技術更低……(而且)對濕度的要求也沒那麼高。」

2014年,美國亞利桑那州立大學(Arizona State University)材料科學副教授弗裏森(Cody Friesen)創辦了Zero Mass Water公司,產品Source是一塊小型屋頂太陽能板(他稱之為「水力板」),裏面放入了乾燥劑。

「我們的乾燥劑由我在亞利桑那州立大學的研究小組研發,」弗裏森說。他在亞利桑那的荒漠環境里長大,對節水天生就感興趣。「需要一種能在濕度極低時吸收水分的東西,哪怕濕度只有5%。」例如,如果不蓋上糖碗的蓋子,糖就會結塊。糖是一種天然的乾燥劑,但速度很慢。試想現在有一種工程材料,乾燥的速度非常快。

乾燥劑的材料成分是商業機密,不過他說裏面混合了氯化鋰和有機離子。太陽能板本身含有光伏材料,發動一個小風扇將空氣吸入系統,但制水主要是靠太陽能將水從「化學海綿」中蒸發出來,以便冷凝和收集。它不需要制冷盤管來冷凝,因為外部的"環境"溫度本身就低於太陽能板的溫度。

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Image caption 水力板利用太陽能從"化學海綿"中吸出水分,而海綿則從空氣中吸收水氣。

Source的售價從4000美元起(約合3100英鎊),平均每天生產3~5升水,遠遠少於機械方式。但它的能耗也少得多,僅需要100瓦的太陽能供電,無需電網(相比之下,Water From Air的造水機每天生產25~30升水需要電網供電500瓦和80%~95%的濕度)。Source設計感和功能性兼備,弗裏森希望它能夠吸引那些每年已經在瓶裝水上花費數百美元的消費者。他說:「全球每年售出的瓶裝水有5000億升,產生了大量的碳排放和塑料垃圾。」

使用5年後,Source生產每升水的平均價格約為16美分,還替代了大約3萬個500毫升的塑料瓶。到目前為止,美國和澳大利亞的農村家庭買的最多,墨西哥的一些學校、黎巴嫩的一所孤兒院和波多黎各的一個消防站也有購買。(2017年的颶風過後,一名消防隊員告訴弗裏森,「軍隊撤離後……我們唯一能喝的就是這個水。」)

還有一種空氣水的收集方法也不需要用電——不管是太陽能發電還是其他方式——這是為世界上最貧困地區設計的。在埃塞俄比亞和多哥鄉村,佇立著近10米高的瓦爾卡塔(Warka Tower),很快在海地也會有。這是一個巨大的花瓶狀竹架,上面有數百平方米的細密化纖網,像是格拉斯頓伯里音樂節(Glastonbury Festival,世界上規模最大的露天音樂節)上的東西。細網收集晨霧,並通過一個用石頭搭建的過濾系統將水滴入地下水箱。它的設計者、意大利建築師維托裏(Arturo Vittori)在為美國國家航空航天局(NASA)設計月球基地時,產生了這個想法。「為外太空那樣的極端環境做設計時需要從地球帶水去,然後在封閉的系統中回收和再利用,」維托裏解釋說:「同樣的事情也發生在地球上——水循環為我們自然而然做了這個事情。」

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Image caption 一座意大利製造的瓦爾卡塔,它能從清晨的薄霧中吸收水分。

第一座瓦爾卡塔於2015年在埃塞俄比亞建成。當霧季到來時,塔就會不斷地生產水。「但即使沒有雨和霧,夜間時冷凝也會發生,」維托裏說:「(我們的)水箱容量從1600升到10萬升不等。」這座塔由當地村民按傳統方法、用當地的竹子建造。「在海地和多哥,我們正在試驗其他當地材料……包括棕櫚葉。」瓦爾卡塔是"另一種"獲取空氣水的方式,他說:「要理解當地的傳統和材料……並不僅僅是部卡車送來的機器。它零耗能,沒有機械部件,一切都只依靠重力、空氣和風來完成。」

不過,這樣的露水採集方法需要非常高的濕度和濃霧。沃爾格倫認為,這種又名「輻射冷卻」的方法「很挑地點……全球只有極少數地方合適」。對於這些極少數地方來說,瓦爾卡塔的方式很值得讚賞——它易於維護,使用的是本地技術和材料。維托裏希望,當地工匠能在無需他參與的情況下,繼續在周邊的城鎮和村莊建造更多這樣的塔。但如果最終目標是為無法獲得潔淨水的21億人服務,僅僅指望瓦爾卡塔是不可能解決問題的。

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Image caption 一名兒童在埃塞俄比亞多爾茲的瓦爾卡塔收集乾淨的飲用水。

維托裏估計,一座(小型)水塔可以滿足約50人的用水需求,(5米高的塔)前期建設成本至少為3000美元。一座更大、25米高的塔將耗資3萬美元,可以滿足約250人的需求(顯然會對景觀造成重大改變)。在特別乾燥的夜晚,就沒有水滴到塔下面的水箱,但使用制冷劑和乾燥劑則可以持續獲取更多的水。它們雖然不是零能耗,但像Zero Mass Water這樣的太陽能方案能自行發電不用電網,算是能量中立,在不久的將來,可能會成為主要的淡水供應方式。

也許未來還會出現更多新發明。國際XPRIZE創新大賽前幾年就已經包含了人工智能和亞軌道飛行項目,目前拿出175萬美元(約合140萬英鎊)獎勵「從空氣中獲得淡水」的最佳新發明。甚至有人建議將空氣水項目擴大到海水淡化廠或太陽能發電廠的規模。

空氣水會有什麼不利影響嗎?會影響當地的降水和雲的形成嗎?在亞利桑那州跟我通話的弗裏森笑了起來。他說,即使每個人都擁有一台空氣水設備,也消耗不完交通尾氣產生的水蒸氣,「所以絶對不會影響天氣系統。」也許重新布線的冰箱、化學海綿和從空氣中收集水的巨大竹塔現在看起來很奇怪,但目前地下水系統每況愈下,我們需要新的解決方案。

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