達人專欄一、 前言
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近年來極端氣候越發劇烈，暴雨、乾旱、颱風、冰雹，以及高溫與嚴寒的日子越來越多，這無疑對於我們的生活造成了不可抹滅且深遠的影響，其中更以淡水資源的缺乏，讓人們憂心忡忡，這並不是因為水資源越來越少，它依然豐沛，但卻不是可飲用的水，又急又快的大雨，無法為我們水庫帶來多少挹注，卻讓我們的城市淹水，於是造成了不可飲用的水四處肆虐，但可以飲用的水卻逐漸不足的荒誕景致。
海水淡化是目前解決水資源的危機最受注目的技術，但其高耗能與維護成本依然讓許多深受缺水之苦的國家難以負擔，有鑑於此，人們將目光放到了大氣中的水份，想從濕氣中抽取水份，以緩解人們生活用水的煩惱，甚至進一步緩解國家缺水的危機。
從濕氣中抽取水份的技術並不是什麼新鮮事，相關的研究、實作早已行之有年，但這些技術卻無法在低濕度的環境中發揮太大的作用，具體來說低濕度是指 RH值為 30% 以下的區域，其中沙漠的平均 RH值為 20% ，然而在最近於 Nature 上所發表的研究報告與結果，為這些乾旱的區域帶來一絲曙光。
來自德克薩斯大學奧斯汀分校的研究團隊，他們發明了一種成本低廉且低汙染的凝膠薄膜用於造水，其中最為亮眼的便是其製作成本僅 1.95 美元，而產一公斤的水所需要的電費約為 0.24 美元(美國德克薩斯的電價)， 總成本預估為 2.19 ~ 2.3 美元，這樣的成本於該技術領域中是相當罕見的便宜且高效，故而受到許多人的關注、期待。
二、 凝膠薄膜的材料
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該凝膠薄膜在該試驗中的名稱為 super hygroscopic polymer films (SHPFs) ，直譯為 超吸濕聚合物薄膜 ，而在接下來的介紹中將以 SHPF 代稱之。
該試驗的材料相當簡單，就連製作的流程亦是如此，首先我們先介紹材料，再介紹製作流程：
1. konjac glucomannan (KGM)，中文名為 魔芋葡甘露聚糖 ，接下來將以 KGM 代稱之：
KGM 擁有良好的吸濕能力，這一點來自它本身的分層多孔結構，這使的空氣中的水份更容易存留在其孔隙之中，不過單靠 KGM 本身是無法達到最佳的吸濕效果，它還必須搭配 LiCl 才能真正的最佳化，這一點將在介紹 LiCl 時詳述，現在我們繼續聚焦在 KGM 上。
我們知道 KGM 若要有良好的吸濕效果需要搭配 LiCl ，但 KGM 的濃度也是一大先決條件之一，根據實驗的數據來看，研究團隊利用三種不同濃度來分析，KGM 在哪種濃度下有最佳的表現，在 2.0wt% 、 4.5wt%、 9.0wt% 之中，發現濃度為 2.0wt% 時，所形成的分層多孔結構太過鬆散，導致完全無法吸收到水份，甚至連凝膠都難以成形，當濃度上升至 4.5wt% 時，便可正常捕獲到水份，繼續上升濃度直到 9.0 wt% 時，卻發現所能捕獲的水份並不如 4.5 wt% 時更多，這主要是因為濃度越高分層多孔結構將越密集，這會導致大多數的水氣無法被保留，因此在該試驗中最佳的 KGM 濃度為 4.5 wt%。
從上述現象，值得注意的是 SHPF 的分層多孔結構不能太過密集，其孔隙必須有一定的大小才能容納最大量的水氣暫存，而濃度越低則孔隙越大，但濃度低於 2.0 wt% 時卻無法製造出結構完整的 SHPF。
2. hydroxypropyl cellulose (HPC)，中文名為 羥丙基纖維素 ，接下來將以 HPC 代稱之：
HPC 本身具有不錯的黏性，這一點對於 KGM 有著相當好的增幅效果，因為它能夠使 KGM 的分層多孔結構的孔隙更穩定，而為了確認 HPC 黏性多少為宜？便需要分析多少的分子量是最洽當的，在 80000、 370000、 1000000 等分子量之中，發現 80000 分子量的 HPC 其吸收水份的能力是最佳的，而 1000000 分子量的效果最差，甚至還要花費更多時間才能達到一樣的效果，之所以如此，是因為高分子量時，HPC 的黏性太高，這導致孔隙變小，進而使吸收水份的能力下降。
除了黏性的特點外，另外 HPC 還有一大特長，那便是在高溫下擁有良好的釋放水份能力，於是在製作 SHPF 時，HPC 的濃度需要多少才能擁有最佳的釋放水份能力呢?在 0.0wt% 、 0.5wt%、 1.0wt%、 2.0wt% 之中，發現 1.0wt% 的蒸發峰值最低，僅需要 44°C ，這意味著在該濃度下只需要最低的熱度便可有最佳的釋放水份能力，因此盡管 1.0 wt% 的濃度下，吸收水份的能力不如 0.5 wt%，但卻有著最佳的釋放水份能力。
從上述結果我們可以知道， HPC 在 SHPF 中所扮演的角色為強化分層多孔結構的穩定性以及促進捕獲的水份釋放速度。
另外補充，水氣的 PH值也會影響 SHPF 的吸收水份與釋放水份的速度，在 4 、 7 、 8.5 等 PH值之中， 8.5 擁有最佳的吸收與釋放水份速度，這是因為 KGM 在酸性條下會誘發降解，導致其速度放緩，而 HPC 在酸或鹼性的條件下，能進一步地降低溫度的需求，因此在該試驗中 PH值 8.5 是最佳的參數。
3. LiCl，氯化鋰：
LiCl 為潮解鹽類，這意味著它擁有極佳的吸收水份能力，而這便是它存在於 SHPF 中的最大原因，增加 LiCl 的濃度有助於水份吸收，但卻會減緩水份在 SHPF 中傳輸的速度，這主要是因為鹽類的結晶所造成的阻塞，為了減少 LiCl 的結晶導致速度變慢，因此透過 KGM 的分層多孔結構進一步的減少結晶顆粒聚集的可能，於是必須揀選出最洽當的濃度，才能有最佳的吸收水份與速度，在 3.7wt%、 7.3wt%、 10.9wt% 等濃度之中，發現 7.3 wt%，雖然水份在 SHPF 中傳輸的速度不如 3.7wt%，但水份的吸收量卻是 3.7wt% 的一倍之多，而 10.9wt% 晶體顆粒聚集導致吸收力與傳輸能力大幅衰弱，因此最佳的濃度則選擇為 7.3wt%。
另外值得注意的是 LiCl 在釋放水份的過程中，是會跟著被釋放出來的，雖然釋出的濃度與其他類似的研究還要低，但這也意味著 SHPF 是有壽命的，且隨著時間而效率下降。
接著我們便開始介紹如何製造 SHPF ：
首先我們先將 LiCl 加入 HPC 溶液之中，接著加入氫氧化鈉或鹽酸調節該濃液的 PH 值，接著才是將 KGM 加入溶液之中，隨後快速的將混和後的溶液注入模具，凝膠化將在 2 分鐘後開始發生，在室溫下靜置 15 分鐘後，在放入冷凍將其乾燥，之後再從模具中取下，便可得到一張全新的 SHPF 。
從研究團隊的介紹來看， SHPF 可以是任意外型的，唯一需要注意的是其厚度，在 100µm、 160µm、 250µm 之中，發現水份在 SHPF 中的傳輸速度越薄越佳，也就是說 100µm 擁有最快的速度且吸收量也略多 160µm 一些，因此我們可以知道 SHPF 越薄可以有更好的效果，然而我們卻也必須考慮的孔隙的大小，每個孔隙大小約為 20 ~ 50µm ，這意味著我們的厚度必須大於這個數值一倍以上才能維持其結構的穩定，因此目前試驗將以 100 µm 為主。
三、 吸收大氣水份的原理
(圖片來源：nature)(完整連結在此)
SHPF 吸收大氣水份的原理從材料的介紹中可窺見一二， SHPF 在 RH值僅有 15 ~ 30% 的環境中都能夠自然地吸收空氣中的水份，但釋放所捕獲的水份則需要透過加熱器，在 HPC 的介紹中也提到，高溫可以強化其釋放水份的能力，因此 SHPF 將會緊貼在加熱板上，加熱後於 SHPF 中的水份將會蒸發成氣體逸散到其上方的冷凝板，蒸氣遇到冷便會凝結成水滴，於是水滴便會沿著冷凝板滑落到集水槽之中。
根據研究團隊的數據來看，SHPF 透過加熱的輔助能使 HPC 快速切換其親水性與疏水性，使的 SHPF 在 RH值 30% 的環境中，一天可以達到吸水、排水 14 ~ 24 個循環，產水量高達 13.3L ，甚至在RH值只有 15% 的環境下也能產出一天 6L 的驚人成果，而這樣的成果比其他同類型的研究成品更為突出且耀眼。
研究團隊也指出 SHPF 很薄，因此可以透過多層的分隔平台或垂直的陣列結構加強其產水的效率，另外研究團隊也建議可以搭配太陽能板應用，因為太陽能會產生高溫，而這高溫便可為 SHPF 的排水機制減少額外的加熱需求，進而減少了電力的無謂消耗，這樣的應用結合不僅可以減少 SHPF 造水的成本，也能間接地替太陽能板降溫，如此一舉兩得，豈不美哉。
四、 結論
(圖片來源：TheGuardian)(完整連結在此)
SHPF 擁有強大的吸收與排放水份的能力，在溼度極低的環境中擁有絕佳的表現空間，尤其是在極度缺水的沙漠地區，該區域的人民往往為了水，要每日徒步來回走上數個小時，甚至半天以上，而且回來的水衛生也充滿疑慮，而 SHPF 從大氣中抽取水份，並透過簡單的淨水設備，就能得到品質不錯的飲用水，除了衛生上的保證外，更重要的優點是便宜，在前言提到其成本僅需 2.19 ~ 2.3 美元，若再搭配上太陽能板的應用，可能可以得到更低的成本，低於 2 美元也不是不可能，因此這樣的水資源放在台灣自然是貴的，但放在乾燥無比的沙漠，卻顯得作夢般的低廉。
儘管 SPHF 有如此好處，但它的缺點也不容忽視，研究團隊從頭到尾都沒有闡明其壽命，這別說到商業化，單單在觀看文章的過程中就會讓人充滿疑惑，另外比較要命的地方便是需要加熱，雖然在展示的加熱器功率僅需 3.38W，但若 SHPF 的面積變得更大、數量更多，那便需要更大的功率來促使水份的釋放，而水份釋放最佳的溫度為 60°C ，雖然乾旱區域總是高溫，因此加熱器的預熱時間不需要太多，但依然會有不可小覷的電力需求，而有用電需求，就有維護需求，因此不僅要替換 SPHF，同時也必須維護整個電力系統，如此一來成本便又堆疊上去了，一來一往，未必真的如研究團隊說的那般便宜。
另外，對環境面而言， SHPF 有著強大的吸收水氣的效果，而本就濕度不高的環境中，大氣中的溼度不斷的被吸收成飲用水，這是否會造成濕度更進一步的下降將會是個疑問，若真的造成濕度進一步下降，那麼對於生活在當地的人絕對不是好消息，失去濕度，人們的健康將受到更大的影響，當然若對濕度的影響不大自然無所謂，之所以我會提出這個觀點，主要是目前並沒有這類型的造水設備被大量應用，因此我也沒查到相關數據，所以只能點出這個疑慮。
除了濕度的問題外，比較直覺性的問題便是熱，既然 SHPF 針對的是濕度極低的乾旱區域，那麼該區域必然是屬於炎熱地區，而加熱板所產生的廢熱，將會進一步的推升環境的溫度，畢竟既然要改善當地的水資源需求，造水設備自然會相當的靠近生活圈，以便於讓人們取水，而凝聚在此的廢熱將會直接衝擊到該生活區域的人們，產生類似都市熱島效應的問題，當然這一點透過都市計畫便能有效的解決，但都說該區域貧窮了，又怎麼會有多餘的錢搞都市計畫呢？
盡管疑慮不少，但 SHPF 的發明，也為製造淡水資源帶來了一大進展與突破，對於貧窮乾旱的地區更是天堂般的福音。
最後感謝大家的觀看，這一篇和上一篇都是講從大氣中抽取水份，這個是用來喝，另一個是用來發電，但這種資源才是取之不盡用之不竭的，而發電那一篇我並沒有提出濕度下降的疑慮，主要是因為應用面是穿戴裝置，而擁有足夠大量穿戴裝置的國家應該都是先進國家，而這些國家通常不是低濕度的乾旱國家，因此我並沒有這樣的疑慮，每次看到這變革性的發明，總會忍不住想要分享，不過老話一句，我並不太懂這個領域，若有錯漏還請指正，感恩囉。
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