增加可用水资源研究的新成果
（一）通过海水淡化增加可用水资源
1．探索海水淡化的新技术
⑴开发用海浪能低成本淡化海水的新技术。[53]2013年1月，芬兰阿尔托大学研究人员研发出一种新型海水淡化系统，该系统直接利用海浪能，实现使用新能源低成本淡化海水的目标。
据介绍，该系统主要包括一个海浪能量转换器和一个反渗透设备。其工作原理是：安装在海水中的能量转换器对海水加压，使海水通过管道输送到陆地上的反渗透设备中，反渗透作用将盐分从海水中去除，再进一步做出后续处理，则能确保生产的淡水适于饮用。
阿尔托大学的可行性研究结果表明，该套系统的最大淡水日产量约为3700立方米，每立方米淡水生产成本可低至0.60欧元，成本与目前利用其他能源的海水淡化方法几乎持平。
研究人员表示，该系统适用于海浪能丰富，又存在大量饮用水需求的沿海地区，如美国西海岸、非洲南部、澳大利亚、加那利群岛和夏威夷等地。
据联合国水机制组织预计，到2025年，世界上将有18亿人口生活在缺乏饮用水的地区。与此同时，全球化石能源渐趋枯竭，环境污染日益加剧。阿尔托大学研究人员认为，他们的新技术有助于缓解饮用水缺乏，还为利用清洁能源开辟了新途径。
⑵提出低成本苦咸水淡化新方法。[54]2020年11月，河海大学水文水资源学院院长杨涛、徐兴涛博士和在读研究生林鹏等人组成的研究小组，在《材料地平线》杂志上发表论文称，他们基于金属有机框架材料，提出一种低成本淡化苦咸水的新方法。
论文第一作者徐兴涛介绍，常见净水方法有2种：一是吸附过滤，二是反渗透。自然状态下，水分子通过半透膜，从淡水向咸水扩散，这就是渗透作用。反渗透要实现咸水中盐与水的分离，这不仅需要渗透膜，还要消耗大量能量。
虽然反渗透是目前苦咸水淡化的主流方法，但存在能耗大、渗透膜成本高、废液处理难等缺陷，科学界也一直在尝试更加节能、环保的淡化技术，“电容去离子”就是其中之一。 “电容去离子”又被称为电吸附法，将盐溶液中的电极通电，盐分的阴阳离子就会被分别吸附到电极的正负两极，实现淡化目的。
这项技术的优点在于它所需电压很小，相当于一节普通干电池的电压。而且只要把电压反接，吸附在电极上的盐分就会重新回到溶液中，电极也实现了再生。“电容去离子”的关键问题在于，目前主流的碳吸附材料性能不佳，容易受到溶解氧的腐蚀，寿命缩短，变相增加了成本。
该研究团队把金属有机框架材料在氮气中热解，得到了一种铁、氮元素掺杂的碳材料。研究人员把这种新材料制成的电极置于氧气饱和的盐溶液中，测试结果表明，电极不仅保持了良好的耐腐蚀性，对盐分的吸附量也显著提升。
杨涛表示，目前，该院利用这种新材料试制的苦咸水淡化设备已完成实验室阶段的测试，下一步将在我国西北缺水地区开展试验，如果达成既定目标，将对解决当地居民清洁饮水问题具有重要意义。
⑶开发低能耗可持续的海水淡化技术。[55]2022年2月，哈尔滨工业大学环境学院马军院士项目组，与阿卜杜拉国王科技大学赖志平教授项目组联合组成的研究团队，在《先进材料》杂志上发表研究成果称，他们在膜法水处理技术研究领域取得重大突破，已设计合成超高通量多孔石墨烯膜，并利用低品质热源实现了高效可持续的海水淡化。
全球日益严重的水资源短缺和当前海水淡化技术的高碳足迹，促使人们寻求一种低能耗可持续的解决方案。膜蒸馏利用热量驱动水蒸气通过膜，获得高品质清洁水, 是一项具有重大应用前景的海水淡化技术，同时也是诸多零排放工艺中的关键核心技术。但蒸馏膜通量低是限制该技术广泛应用的主要瓶颈。
鉴于此，该研究团队提出一种制备超高通量纳米多孔石墨烯膜的新工艺，这个过程无需二次打孔和转移。所得石墨烯膜为水蒸气提供了极短且快速的传输路径，比迄今为止报道的蒸馏膜通量高一个数量级、脱盐率大于99.8%，在海水淡化中显示出巨大的应用潜力和优势。
2．研制海水淡化的新材料
⑴开发用于海水淡化并可高效除硼的逆渗透膜。[56]2006年8月，有关媒体报道，日本东丽公司研究中心一个研究小组通过实验证实，用于海水淡化的逆渗透膜次纳米级孔径，与对人体有害物质硼的去除率之间存在相关关系。在此基础上，他们利用自主分子设计技术，开发出能够以次纳米精度，对孔径进行控制的“高效除硼逆渗透膜”。该公司打算以饮用水及农业用水匮乏的中东及北非各国为主，向那些需要保证水源的地区推销该产品。
利用逆渗透膜进行海水淡化时，能够去除盐分、重金属离子及有机物等绝大部分杂质，不过在对付对生殖系统有伤害的、导致柑橘类植物发生枯萎病的硼时，由于该元素较小，所以如果只进行一级处理，去除效果就会很有限。因此，在实际操作中，通常采用将一级处理后的水，再用逆渗透膜过滤的二级处理，或者与来自其他水源的低硼水混合来解决。
在各逆渗透膜厂商，就硼的去除性能展开激烈竞争的情况下，该研究小组把目光锁定在了“逆渗透膜的离子分离构造”上。在该领域，目前存在两种主张，一是无空孔的“溶解扩散构造”，二是有空孔的“透过构造”，最近“逆渗透膜中存在1纳米以下的超微空孔，孔径决定了性能”的看法正在为主流。这一观点就是第二种主张的“透过构造”。不过，此前一直没有能够准确测定极为关键的孔径的方法。
该研究小组，使用把阳离子注入物质、根据阳离子的寿命来测定孔径尺寸的“阳离子消灭寿命测定法”，成功地测定了海水淡化用逆渗透膜的孔径。从而得出硼的去除率与孔径分布相关的结论。根据这一结论，在不降低透水性的情况下，采用最佳孔径设计，便可开发出硼高效去除逆渗透膜，与原来的硼去除海水淡化逆渗透膜相比，硼的去除性能可提高20%。
⑵研制出可更好淡化海水的石墨烯氧化物薄膜。[57]2017年4月3日，英国曼彻斯特大学教授拉胡尔·奈尔等人组成的一个研究团队，在《自然·纳米技术》杂志上发表研究报告说，他们开发出的一种新型石墨烯氧化物薄膜，能更高效地过滤海水中的盐，未来在海水淡化产业中有非常好的应用前景。
氧化石墨烯薄膜在气体分离和水处理方面，已经展示了很大的应用潜力。但现有的这类薄膜，还无法适应海水淡化工艺的要求。该研究团队此前的研究就发现，如果把这类薄膜浸泡在水中，它会轻微膨胀，微小的盐离子会随着水流渗透薄膜，无法完成对盐的过滤。
为解决这个问题，研究人员利用环氧树脂涂层在薄膜两边形成“阻隔墙”，有效控制薄膜在水中的膨胀程度。这一方法能够更精确地控制薄膜上微空隙的大小，不让它因薄膜膨胀而变得过大，从而实现对细小盐离子的过滤。由于微空隙大小可控，也能更精确地调整盐的过滤程度。
奈尔说，这种新方法，能够有效提升海水淡化技术的效率，未来如果技术发展成熟，就可以大规模生产能过滤不同大小离子的氧化石墨烯薄膜。
⑶发现含氟纳米结构材料可高速低耗淡化海水。[58]2022年5月12日，日本东京大学化学与生物技术系副教授伊藤洋敏等人组成的研究团队，在《科学》杂志上论文称，世界各地面临日益严峻的水资源短缺问题，海水淡化是生产饮用水的一种方法，但往往伴随着巨大的能源成本。近日，他们首次使用基于氟的纳米结构材料成功过滤了水中的盐。与目前主要的海水淡化方法（热能法和反渗透膜法）相比，氟离子纳米通道的工作速度更快，需要的压力和能量更少，是更有效的过滤器。
用含有聚四氟乙烯涂层的锅做饭，煮熟的饭不会粘在锅上。其中奥秘在于聚四氟乙烯的关键成分氟，是一种天然憎水或疏水的轻质元素。聚四氟乙烯也可用于管道内衬以改善水流。
该研究团队试图探索由氟制成的管道或通道如何在一个纳米尺度上运行，以测试其在选择性过滤不同化合物方面的效果，特别是水和盐。研究人员通过化学合成纳米氟环来创建测试滤膜，这些纳米氟环堆叠并嵌入到其他不渗透的脂质层中，类似于构成细胞壁的有机分子。他们创造了几个宽度大约在1到2纳米之间的氟环测试样本，而人类的头发几乎有10万纳米宽。为了测试膜的有效性，研究人员测量了测试膜两侧的氯离子的存在。
伊藤洋敏说：“测试中较小的通道完全拒绝了盐分子的传入，而较大的通道相对于其他海水淡化技术甚至尖端碳纳米管过滤器也有所改进。真正让我惊讶的是，这个过程发生得非常快，比典型的工业设备快几千倍，比基于碳纳米管的实验性海水淡化设备快约2400倍。”
氟是电负性的，它排斥负离子，如盐中的氯。这带来的好处是分解了本质上松散结合的水分子基团（水簇），因此它们可更快地通过通道。该研究团队的氟基水淡化膜更有效、更快、操作需要的能量更少，而且非常易于使用。研究人员未来希望改进合成材料的方式，提高膜的寿命并降低运行成本。
3．开发海水淡化的新设备
用不锈钢拧曲管制成高效海水淡化装置。[59]2004年8月，日本媒体报道，目前，不少国家都在进行海水淡化实验，一般采用的方法是逆浸透膜式，即利用海水和淡水浓度差，向海水施压并通过浸透膜变成淡水。但这种方法成本过高，需要经常清洗浸透膜，维护庞大装置的难度也非常高，而且海水利用程度只有30％。针对这种情况，日本辛德莱拉依特公司开展产品创新，研制出一种低成本、高效率的海水淡化新装置。
这种新装置的外表是一个不锈钢制多孔圆筒，里面装有一个由1000枚外径156毫米、内径136毫米不锈钢片摞成的管。这根管经缓慢拧曲，内外会因不锈钢片位移而形成凸凹不平的层次，层次间出现纳米级空隙。
使用时，首先把海水放入结晶装置中，再施加高频电压进行“加工”。几十秒钟后，海水中钠离子和氯离子会发生化合而形成细微食盐晶体，并逐渐增长为１微米左右的粒子。这些粒子凝聚后，可形成直径为几微米、容易被过滤掉的盐粒。然后，把这种海水放进上述不锈钢圆筒的容器中，施加一定压强，盐粒就会被挡在管外，其余受压而浸入拧曲管内的水便是要得到的淡水，其盐分浓度为0.067％左右，氯化镁等矿物质含量是正常海水的一半，成为理想的饮用水。
新型装置效率是浸透膜方法的3倍，海水利用程度高达95％，所需电费和维修费都很低。该公司已经制造出每分钟可生产200升淡水的大型装置。
4．建立海水淡化的新工厂
揭秘以色列超级海水淡化工厂。[60]2017年2月，有关媒体报道，在以色列首都特拉维夫南边10公里的地方，紧靠蔚蓝的地中海，一座超级水工厂在这里拔地而起，这座工厂有两座大容量蓄水池，每个蓄水池都相当于一个标准足球场大小。远处的沙地上，一条巨大的管道冲破炽热的沙粒，管道中清澈的淡水倾泻而出，注入这两座蓄水池内。这些淡水来自地中海，经过海水淡化处理后，它们足够供应150万人的用水需求，而以色列总人口不过822万人。
这座海水淡化工厂名叫索雷科，是目前世界上最大、最先进的海水淡化工厂。
据以色列扎克伯格研究院水资源研究所的研究员巴·泽夫介绍，传统的海水淡化技术，是使用一种拥有微观孔隙的薄膜，这种薄膜能把较大的盐分子过滤掉。但这类技术的问题是，海水当中的微生物生长得很快，并且很快就会堵住薄膜的微观孔隙，要处理这类微生物非常昂贵，而且要使用大量的化学制剂。
以色列研究人员发明了一项新技术，他们利用一种多孔结构的熔岩，这种熔岩能够将海水中的微生物拦截下来，通过这种技术，海水淡化的成本得以大幅降低，且效率也有很大提升。目前全国55%的淡水供应来自海水淡化。
如今，以色列海水淡化的成本，仅相当于上20世纪90年代的三分之一。以索雷科生产的淡水为例，1吨水的成本只有58美分。以色列平均每个家庭每月的用水支出大约在30美元，而去年以色列的人均GDP为3.7万美元，用水支出已经只占很小的比例。
（二）通过空气取水增加可用水资源
1．开发从空气中取水的新技术
利用结网技术从浓雾中“捕”水。[61]2012年6月，有关媒体报道，智利天主教大学地理研究所比拉尔·塞雷塞达领导的一个研究小组，采用结网捕水的技术，解决了干旱地区民众的用水问题，使荒芜的沙漠，渐渐变成了绿洲。
智利中北部阿塔卡马沙漠南缘，有个叫丘贡戈的海边渔村，几十年前这里的人一年也难洗一次澡，而现在他们不仅可以天天洗澡，还可以养花种菜。这都得益于立在山头的巨大的塑料网，来自太平洋的浓雾在网上凝结成水，解决了长期困扰渔村的用水问题。
丘贡戈村位于厄尔多福山脉脚下，地处干旱沙漠地带，居民以下海采集贝类为生，人均年收入不到300美元。长年来，渔民们的生活用水，来源于附近铁矿的一处泵站，40年前政府关闭了铁矿，渔民们又无力维持泵水系统，200户居民只能靠运水车，每周一次从附近城市运水。
村民萨斯玛雅说：“以前洗澡不能打肥皂，因为只能用一次水。洗完衣服的水用来洗澡，刷碗的水用来浇菜。”。当年铁矿关闭后，因为缺水，村里的年轻人纷纷外出打工，萨斯玛雅选择留了下来。如今他家的前庭后院，已种上了橘子树和玫瑰花，一小块蔬菜地能够提供一家人的每日所需。
这一神奇的变迁，来自一项结合了地理学与气候学的社会发展项目：结网捕捉云雾中的水汽。人们把一张张约50平方米的聚丙烯网，竖立在厄尔多福山顶上，潮湿、浓密的水雾，从太平洋沿海沿着厄尔多福山爬升时，撞击在细密的网眼上凝结成水珠，在重力作用下，水珠沿细塑料管流到山下的容器内。试验表明，平均每平方米网眼每天能捕获4升到15升水，目前设置的80张网每天能捕获约2万升水。
塞雷塞达从20世纪80年代初，就参与了这个项目。她介绍说，智利北部太平洋沿海水域，有秘鲁寒流流过，海水温度比周围气温低7℃～10℃，使近海岸洋面多云雾，在距离海岸线不远的地方，由于安第斯山脉的阻挡，大量云雾沿山坡爬升。这项结网捕水技术握，并非智利首创，但智利是全世界第一个把它付诸实践并取得成效的国家。
塞雷塞达研究小组，最早受雇于智利国家林业局，研究通过结网捕水，为恢复废弃铁矿区生态提供条件，后来他们发现了铁矿附近这个严重缺水的渔村。在智利林业局和国际机构的资助下，1987年他们在丘贡戈村设置了50张捕水网试验项目的可行性，1992年5月，项目正式开始供水。当时，居民们久旱逢水，欣喜若狂。
现在，捕水系统已完全由丘贡戈村村民管理。由于平均每5年需要更新聚丙烯网，每10年需要更新管道，村民们自发设立了基金用于维护和更新系统。此外，村里还成立了水资源管理委员会指导统筹用水。
看到这些变化，塞雷塞达深有感触地说：“有了水之后，丘贡戈村道路两旁种上了树木，村里开始养牛养羊，种上了蔬菜，很多背井离乡者重返故土。水让这个渔村重新活了过来。”
2．发明从空气中取水的新材料
⑴发明能从沙漠雾里采集水分的捕雾棉材料。[62]2013年1月，荷兰媒体报道，在干旱的地方，有时会产生通宵的大雾，有些人便利用“雾水收集器”来获得淡水。这通常都通过一片片的网来收集雾滴，然后让它们滚动到下方的容器里。许多研究人员已经尝试增加这些收集器的效率，比如通过亲水性(吸水)和疏水性材料的组合。现在，荷兰埃因霍恩科技大学埃斯特维斯·卡塔琳娜博士、香港理工大学辛·约翰教授带领的一个研究小组，创建了一个以棉为主的捕雾新材料，能够在完全的亲水性和疏水性之间切换。
研究小组是从普通的织物棉开始的。通常情况下，普通棉花智能吸收空气中约占自身体重18%的水分，该研究小组随后应用了一种凝胶基聚合物的涂层。
在温度达到34℃时，该聚合物具有亲水性的海绵状结构。这种涂层棉吸收的液滴，能够高达自身重量的340%。一旦温度变得更高，聚合物的结构就会“关闭”并显现疏水性质。在处理过的棉花身上，就会导致其所吸收的水分以液滴的形式被释放出来。
报道称，收集到的水是纯净和安全的，而且该聚合物能够反复循环使用。此外，传统的雾水收集器需要一定程度上的风力摇动，以使收集到的液滴松散开，而新材料可以在完全静止的条件下释放液态水。
棉花的价格不高，这种凝胶基聚合物据说也会相当地便宜。研究人员的想法是，处理后的棉花可以铺设在作物(或容器)上，到了晚上它就能自行吸收水汽和释放水滴了。不过也有人建议说，该材料可用于制作集水帐篷、或者用于排汗的运动服。目前，该研究小组正在寻找提高聚合物亲水性质的方法，并降低其变成疏水性质的温度。
⑵研制出可从空气中高效收集水的仿生材料。[63]2016年2月24日，物理学家组织网报道，美国哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院研究员帕克主持，副院长基姆为主要成员的研究小组，在最新一期《自然》杂志上发表论文称，他们受沙漠甲虫、仙人掌和猪笼草的启发，结合多种生物体的特性，设计出一种高性能仿生材料，可更加有效地从空气中收集水。这一方法，不仅可用于解决某些地区干旱缺水的问题，也为未来仿生学发展打开了新的思路。
一些生物可在干旱的环境中生存，因为它们已进化出可从稀薄而潮湿的空气中收集水的机制。例如纳米布沙漠甲虫，其翅膀上有一种超级亲水纹理和超级防水凹槽，可从风中吸取水蒸气。当亲水区的水珠越聚越多时，这些水珠就会沿着甲虫的弓形后背滚落入它的嘴中。
据报道，在本质上，新的系统是受沙漠甲虫崎岖不平的壳、仙人掌上刺的不对称结构和猪笼草光滑表面的启发而设计。新材料利用这些自然系统的特性，再加上该研究小组开发的湿滑液体注入多孔表面技术，收集空气中的水。
收集大气中的水，面临的主要挑战是如何控制水滴大小、形成速度及其流向。与以前着重对甲虫壳凝水机制的研究不同，新研究的灵感来自背壳凸起部分也可集水这一发现。
帕克指出，实验发现，甲虫背部单独的几何形状凸块，可方便凝结水滴，而通过详细的理论模型优化，并将凸块的几何形状与仙人掌刺的不对称，以及几乎无摩擦涂层的猪笼草结合，他们设计出的新材料，比其他材料可在更短时间内收集和运输较大的水量。如果没有这些参数，整个系统将无法协同工作。
基姆说：“目前，这项研究迈出了令人兴奋的第一步。我们将开发出一个可以有效收集水，并引导其流到水库的系统。此外，这种方法还能用在工业热交换器上，可显著提高其整体能效。”
3．研制从空气中取水的新设备
⑴研制出从空气中提炼饮用水的“炼水机”。 [64]2006年10月，美国媒体报道，一种可以从空气中提炼出安全的饮用水的设备，开始在这些地方为人们服务。
这种机器的原理很简单。生活中，如果你从冰箱冷冻室里拿出一个玻璃瓶子，把它放在阳光下，很快你就会发现，瓶子上布满了小水珠。这些水珠就是这个玻璃瓶子从空气中提炼出来的水。当然，这些水珠不一定能直接饮用，需要经过处理。研究人员受到这一现象启发，制造出炼水机。美国有数家公司正在市场上销售这种产品。销售人员称，它可以从空气中提取干净、可直接饮用的水。
位于美国犹他州奥格登地区的水魔法公司，就是其中的一家公司。该公司总裁乔纳森·怀特说：“简单来说，这种炼水机是在玻璃瓶子上安装了一个连续震动的系统，将其产生的水珠收集起来，并且对其进行快速的化学处理。”
水魔法公司近来正在向消防、救援等部门推销炼水机，以帮助这些部门应对紧急状况下可能出现的饮水难题。怀特说：“虽然水魔法公司的设备，还不足以为整个城市的居民，在紧急状况下提供饮用水，但至少可以满足几个或者几十个救援人员、废墟清理工的饮水需求，这样可以省下从其他地方运输饮用水的麻烦和费用。”
目前，水魔法公司最大的一台炼水机，每天可以提炼水约5000升，可以满足数百人一天的饮用水。不过，这种大型炼水机每台的成本高达50万美元。当然，该公司还有每台成本仅需数百美元的小型炼水机。
美国密西西比州比洛克西市消防局副局长大卫·罗伯特，是水魔法公司的炼水机的买家之一。他所在的城市和新奥尔良城一样，在2005年的“卡特里娜”飓风中被洪水淹没。罗伯特认为，炼水机提供的水喝起来还不错。
除了遭受自然或人为灾害而遇到饮水困难的居民以外，那些缺乏水资源的发展中国家和地区的居民，也是这种炼水机的重要市场。这也是美国这些炼水机制造商主要瞄准的市场。目前，全世界靠饮用受到污染的水，维持生计的人多达12亿。迈阿密空气水公司总裁麦克尔·泽本表示，对于那些没有丰富的水资源，或者水资源不便开发的地区来说，炼水机大有可为，例如非洲。
⑵研制出从沙漠空气中“挤”水的新装置。[65]2017年4月13日，美国加州大学伯克利分校奥马尔·亚吉、麻省理工学院伊夫林·王共同负责的一个研究团队，当天在《科学》杂志上发表的一项研究成果表明，即便在沙漠地区，人们也有望借助一种新设备，从无所不在的空气中“吸水”。
研究人员说，人们无法从一块石头中挤出水来，但是从沙漠的天空中“拧”出水来现在却是可能的。如今，通过一种新研制的海绵状装置，人们可以利用太阳光从空气中吸取水蒸气，即使在很低的湿度下也是如此。
据介绍，该设备所包含的每千克海绵样吸收器，每天可生产近3升水，而研究人员说，未来的产品将会更好。这意味着，那些生活在世界上最干燥地区的家庭，可能很快就将有一个太阳能设备为其提供所需的全部用水，而这一装置也有望使数亿人从中受益。
研究人员报告说，他们研制的这种原型设备，仅利用太阳能，每天可从湿度低至20%的干燥空气中制取出数升水。
亚吉在一份声明中指出：“这是解决从低湿度空气中‘吸水’这个长期挑战的一个重大突破。现在还没有其他方法能够这样做，除非动用额外的能源。家用的除湿机需要耗电，用这种方式‘生产’水成本非常昂贵。”
在新研究中，亚吉研究小组利用金属锆与己二酸研制出一种叫“金属有机框架”的细砂状多孔材料，而麻省理工学院伊夫林·王研究小组把这种材料制成了吸水器，细砂状多孔材料被夹在一块太阳能吸收器与一块冷凝板中间。
设备工作时，细砂状多孔材料从空气中吸附水蒸气，太阳能板负责加热，促使水蒸气释放进入冷凝板，在冷凝板上凝结成液态水，最后滴入用于收集水的容器中。
研究人员说，在湿度为20%至30%的空气中，每千克这种细砂状多孔材料12小时能收集2.8升水。他们计划，接下来进一步改进这种材料及设备的“吸水”效率。
亚吉说：“我们希望做到的是，如果您被丢在沙漠中，靠这种设备就能存活。”并未参与该项研究的西北大学化学家梅科瑞·卡纳茨迪斯表示，从沙漠的空气中收获水曾经是一个长时间的梦想。这项研究是一个重要的概念证明。
亚吉指出，新的设备还有很多需要改进的地方。首先，锆的价格是每公斤150美元，这使得水收集设备因成本太高而无法广泛使用。不过，亚吉说，他的研究团队已经在用铝替代锆，在抓取水的“金属有机框架”的设计中获得初步成功，而铝的价格只有锆的1%。这可能使得未来水收集设备因为成本低，而不仅能够满足干旱地区人们对水的需求，甚至能够为沙漠中的农民提供水资源。
⑶发明零能耗“空气凝水”装置。[66]2021年7月8日，俄罗斯卫星通讯社报道，瑞士苏黎世联邦理工学院一个研究小组，率先发明以零能耗从空气中凝结水蒸气的装置。该设备可让带有辐射防护罩的自冷系统24小时不间断工作，这为解决全球水资源匮乏问题带来希望。
目前，一些饮用水短缺的地区，不得不对海水进行淡化处理，但这会消耗很多能量。一些距海较远的地区连这样的机会都没有。现在，这个问题，可以通过凝结空气中的水蒸气来解决。瑞士研究小组近日发明的这个装置，能够全天候集水，即便在烈日之下也适用，而且完全不消耗能量。
该装置由一个锥形罩和一块玻璃板构成。玻璃板带有特殊涂层，可以反射阳光、散去热量。它可以把自身热量降低到比周围环境低15℃。在装置内部，水蒸气会凝结成水。这个过程，就像冬天隔热不良的窗户上发生的冷凝现象一样。
以前的技术，通常需要把凝结的水从表面擦掉，但这样会消耗一些能源。然而，要是没有这个步骤，大部分凝结的水会附着在表面上而无法使用。现在，瑞士研究小组发明的装置，是在玻璃底部涂一层用特制聚合物打造的超防水涂层，这样凝结的水就可以自行收集在一起，并滑落到接水的桶里。
⑷开发利用太阳能的大气集水装置。[67]2021年10月，美国艾克斯开发公司一个研究小组在《自然》杂志发表论文称，他们以假设装置为模型的全球评估表明，利用太阳能技术在大气中集水，或可为约10亿人提供安全饮用水。这项发现，或有助于为新兴和未来集水技术设计提供参考。
该论文介绍，全球约22亿人无法获得安全的饮用水，人口最多的地区是撒哈拉以南非洲、南亚和拉丁美洲。一般认为，太阳能大气集水装置有助于解决水资源短缺，该类装置有两种工作方式：被动集水装置，完全依赖天气条件，收集预先凝结的露水或雾汽；主动装置则相反，它们或会利用太阳能在夜间湿度较高时采集并凝水，或者连续循环工作，这缩小了装置所需尺寸。不过，这些装置的性能及全球潜力尚未得到分析。
该研究小组展示了，一个评估太阳能大气集水装置提供安全饮用水潜力的地理空间工具。这个工具体现了全球湿度模式、气温和阳光辐射，基于假设的太阳能大气集水装置(约有1～2平方米太阳能集热面积)。
其研究结果表明，该工具通过持续白天运行，强烈的阳光和超过30%的湿度事实上可充分配合，平均每天支持产生5升水。如得到广泛部署，这类装置有可能为生活在此类气候条件下的约10亿人提供安全的饮用水。研究人员还以现有装置的潜力比较了这些结果，表明新设备有望达成这些目标。
（三）通过利用雨水增加可用水资源
1．研究全球降雨影响因素的新发现
发现非维管植物或对全球降雨产生重大影响。[68]2018年8月，瑞典斯德哥尔摩大学、美国佐治亚南方大学，以及德国马克斯普朗克生物地球化学研究所联合组成的一个国际研究团队，在《自然·地球科学》发表论文指出，非维管植物，可能会对全球降雨的截留和蒸发产生重大影响，从而成为影响气候变化的因素。植物的截流是陆地水文循环的重要组成部分。
非维管植物是对没有木质部和韧皮部维管束的植物，如地衣、苔藓和绿藻等。虽然非维管植物缺乏此类特殊的组织，但一部份非维管植物会通过自身特有的组织在体内输送水份。非维管植物已被证明可以截留大量的降雨，这可能会影响从某一区域到整个大陆范围的水文循环和气候。然而，非维管植物对降雨截留的直接测量仅限于局部尺度，这使得推断其在全球层面的影响存在困难。
该研究团队，使用基于过程的数值模式和观测数据，评估比较非维管植物对全球降雨截留的贡献。研究结果表明，模拟的植物平均全球蓄水量(包括非维管植物在内)为2.7毫米，与野外观测结果一致。当包括非维管植物时，来自森林冠层和土壤表面的自由水的总蒸发量增加了61%，导致全球降雨截留通量为地面蒸发通量的22%。
2．发明人工降雨的新技术
⑴利用燃烧盐结晶体进行人工降雨。[69]2005年7月，南非《星期日时报》报道，传统的人工降雨方法，通常是通过向云内播撒碘化银或干冰（固体二氧化碳）等，使水滴凝结长大，最终成为雨水降落地面。而南非科学家，最近发明的一种新方法，比传统技术便宜高效，已经获得世界气象组织的大奖，正在推广实施。
世界气象组织的专家说，南非科学家的新方法实施起来有点像空战。在进行增雨作业时，气象飞机会在尾部燃烧盐的结晶体，紧贴着积雨云拉出一道长长的“火龙”或“火雾”，场面蔚为壮观。试验结果显示，这种“水火交融”的新方法，要更加有效果，一次作业所“挤出”的水量，是传统的人工降雨方式的两倍，而且不会产生多余的废物，人工降雨后对过往的飞行器没有任何影响。
这项发明的另一项优势是成本低，每立方厘米只花费四分钱，这也是气象专家对此情有独钟的重要原因。专业人员还对科学家专门为此开发的雷达跟踪软件也赞不绝口。
南非科学家的这项研究，是在阿拉伯联合酋长国的资助下完成的，阿联酋常年干旱，气候条件亟待改善。目前，世界气象组织已经拨款120万兰特（1兰特约合1.2元人民币），作为对这项新发明的奖励，专门用于推广应用。
据悉，阿联酋、美国、墨西哥、印度等国已经开始应用该技术。但由于种种原因，南非的人工降雨新发明在干旱的南非却没有得到及时应用。目前水利和林业部门正在紧锣密鼓地研究如何在干渴的南非大地发挥它的潜力。
⑵利用激光技术进行人工降雨。[70]2010年5月，瑞士日内瓦大学物理学家热罗姆·卡斯帕里安主持的一个国际研究小组，在《自然·光子学》杂志发表研究报告说，目前人工降雨技术一般是在空中播撒碘化银颗粒作为凝结核，促使水蒸气凝结，而他们发明了一种新技术，尝试用激光把空气分子离子化，使之成为天然的凝结核，从而达到人工降雨的目的。
据介绍，这种新技术的原理，是向空气中发射一种高能量短脉冲激光，它会使照射路径上的氮气分子和氧气分子离子化。这些离子化的空气分子就成为天然的凝结核，促使水蒸气凝结为水滴。
研究人员向含有水蒸气的实验装置中发射这种激光，可以马上观察到直径约50微米的水滴形成，这些小水滴还会进一步合并为直径约80微米的大水滴。户外实验也显示，在空气湿度较高的情况下，发射这种激光可以促使空气中水滴的形成。
卡斯帕里安说，这一技术目前还处于初级阶段，不能马上用于人工降雨，因为一束激光只能促使其所照射的路径上形成水滴。下一步研究将探索是否能通过用激光扫过天空的方式，促使水滴在更大面积的空气中形成。还有观点认为，虽然一束激光不能直接用于人工降雨，但可以通过测量它所促使形成的水滴规模来判断空气湿度，从而帮助降雨预测。
⑶利用系留气球进行人工降雨。[71]2012年1月，国外媒体报道，通常情况下，人工降雨只有在雨云湿度高于95%的情况下才可以实施。但是，俄罗斯列别捷夫物理研究所宇宙射线实验室的主任帕夫柳琴科领导的研究小组，提出了一种新的方法，使得在雨云湿度不大的情况下进行人工降雨变为可能，从而更加有效地改善局部干旱状况。
俄研究小组的方法基于气旋原理。我们知道，气旋是三维空间上的大尺度涡旋，其中心气压低、四周气压高，是一种近地面气流向内辐合，中心气流上升的天气系统。由于地球自转与科氏力作用，使得气旋在北半球作逆时针旋转。空气在上升的过程中，逐渐变冷，水蒸气开始凝结，最后形成降雨。根据这个原理，只要解决两个问题就能实现人工降雨，一是将空气提升到一定高度，二是形成带负电荷的凝结核。
俄研究小组通过系留气球，利用太阳辐射以及地球磁场，解决了上述两个问题。系留气球用缆绳拴在地面绞车上，并可控制其在大气中飘浮的高度。
这种新人工降雨的具体操作方法是：将系留气球涂成黑色，并按照环形或螺旋形层层排列后升空。气球的黑色表面吸收太阳辐射而变热，并把热量传递给周围的空气，使得空气开始升高，并逐渐冷却。由于在地面和电离层间存在300千伏～500千伏的电位差，当到达一定高度时，安装在气球层上的接地导体便通过电晕放电自动生成电离子，使之成为天然的凝结核，促使水蒸气凝结，最终实现降雨。
俄罗斯研究人员称，利用该方法进行降雨的同时，也能产生风，因此还能满足一些盆地地区通风的需求。
3．研制人工降雨的新设备
第一架大型人工增雨(雪)无人机首飞。[72]2021年1月6日，中国新闻网报道，中国气象局、甘肃省政府等主办的“甘霖-Ⅰ”人工影响天气无人机首飞仪式，当天在甘肃金昌市举行。这是目前中国第一架大型人工影响天气无人机，其技术在世界人工影响天气领域处于领先地位。
当日，首飞成功的“甘霖-I”无人机，具备远距离气象探测能力、大气数据采集能力和增雨催化剂播撒能力，同时拥有可靠的防除冰能力，具备复杂气象条件下的作业能力，提高了人工影响天气作业的效能。作为生态修复的“科技制高点”，突破大型无人机人工影响天气作业的关键，丰富了人工影响天气作业手段。
甘肃人工影响天气无人机工程项目，起源于祁连山生态修复对人工增雨(雪)的需求。据介绍，祁连山区大型无人机增雨(雪)试验的成功，不仅可极大提高人工增雨作业效率，还可进一步发挥西北区域人工影响天气能力建设工程的效益，并在全国起到大型无人机增雨的示范引领作用，带动有关省份逐步建设大型无人机人工增雨能力。
中国气象局副局长余勇说，该局将进一步与甘肃加强合作，支持开展祁连山区无人机人工增雨(雪)业务试验工作，支持甘肃建设无人机飞行和试验示范基地，推进无人机增雨系统从试验向业务转化，推广应用。推动建立健全无人机人工增雨的相关行业标准，规范无人机行业发展与相关行业的业务应用，推动将无人机人工影响天气技术列入重大科研计划项目。
4．研发净化雨水的新方法
发明用生物滤膜净化雨水的新技术。[73]2011年3月24日，《耶路撒冷邮报》报告，以色列的研究人员亚龙·诚尔博士，发明了一种应用生物滤膜净化雨水的新技术。这项技术的问世，将有助于以色列解决水资源短缺的问题。
以色列每年有近20万立方米的雨水，排入大海。而实验证明，收集到的雨水含有多种有毒物质。污染了的雨水排入大海后，进一步污染近海水域。
这项技术的核心部位是生物滤膜，它由好几层构成，最上层是由具有净化作用的植物组成，底层是由能促进水质净化的厌氧细菌组成，整个系统协同工作，能有效的净化雨水并除去包括重金属离子、有机残留物和土壤颗粒等粒子。经检验，净化后的水各项指标均符合饮用标准。
5．研究雨水回收利用的新进展
⑴发明有利于环境保护的雨水回收系统。[74]2005年3月，有关媒体报道，法国人罗得曼发明的雨水再利用系统，引起社会广泛瞩目。他发明的雨水回收系统只需在屋顶的雨水槽边安装导管，将雨水引入地下蓄水池中，过滤净化后进入生活用水体系。这类水可用作冲厕所、洗浴、清洗等二类生活用水，与饮用水分开。
据罗得曼说，雨水回收利用在欧洲非常普遍，北欧国家目前有近10万个雨水回收系统。德国和比利时30多年前就已开始尝试将雨水回收再利用，效果还挺理想。而这种系统在法国刚刚兴起，人们之所以对它感兴趣，直接原因是越来越贵的自来水费，以及人们越来越强的环保意识。
⑵建设和完善城市雨水循环利用系统。[75]2015年8月，有关媒体报道，瑞士是世界上最富裕的国家之一，同时也可谓是世界上最节省的国家之一。瑞士并不缺水，境内湖泊众多，有1484个，最大的日内瓦湖面积约581平方公里。但瑞士政府一向提倡节约用水，鼓励民众在下雨时吸水、蓄水、净水，并通过大力建设和完善雨水管网系统，促使雨水得到循环利用。
20世纪末开始，瑞士在全国大力推行“雨水工程”。这是一个花费小、成效高、实用性强的雨水利用计划。通常来说，城市中的建筑物都建有从房顶连接地下的雨水管道，雨水经过管道直通地下水道，然后排入江河湖泊。瑞士则以一家一户为单位，在原有的房屋上动了一点儿“小手术”：在墙上打个小洞，用水管把雨水引入室内的储水池，然后再用小水泵将收集到的雨水送往房屋各处。瑞士以“花园之国”著称，风沙不多，冒烟的工业几乎没有，因此雨水比较干净。各家在使用时，靠小水泵将沉淀过滤后的雨水打上来，用以冲洗厕所、擦洗地板、浇花，甚至还可用来洗涤衣物、清洗蔬菜水果等。
如今在瑞士，许多建筑物和住宅外部都装有专用雨水流通管道，内部建有蓄水池，雨水经过处理后使用。一般用户除饮用之外的其他生活用水，用这个雨水利用系统基本可以解决。瑞士政府还采用税收减免和补助津贴等政策鼓励民众建设这种节能型房屋，从而使雨水得到循环利用，节省了不少水资源。
在瑞士的城市建设中，最良好的基础设施是完善的、遍及全城的城市给排水管道和生活污水处理厂。早在17世纪，瑞士就已出现结构简单、暴露在道路表面的排水管道，迄今在日内瓦老城仍能看到这些古老的排水道。从1860年开始，下水道已经被看做是公共系统重要的组成部分，瑞士的城市建设者开始按照当时的需要建造地下排水系统。瑞士今天的地下排水系统则主要修建于二战后。当时，瑞士出现了大规模的城市化发展，诞生了很多卫星城市。在这一时期，瑞士制定了水使用和水处理法律，并开始落实下水管道系统建设规划。
在瑞士，日常生活污水和雨水是通过不同的管道进行处理的。早在140年前，苏黎世就建立了污水净化设施。生活污水通过单独的管道流到污水处理站，进行净化处理，未经收集的雨水则通过简单的过滤处理后流入湖水或其他自然水体。污水和雨水流入不同的管道，含有大量油污的厨房污水就不会流入雨水管道并堵塞管道，应该说这在一定程度上有利于避免大规模降水时造成的城市洪涝现象。
由于瑞士城市里下水口密布，排水管道设置合理，污水处理系统遍布全城，再加上一些古老的下水道至今仍能发挥作用，因此瑞士的地下排水系统基本可以应对排水的需要，城市里很少发生洪涝现象。
