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近日，制冷與低溫工程研究所王如竹教授ITEWA團(tuán)隊(duì)在Cell姊妹刊Device上發(fā)表了題為“Ultra-high-yield solar-driven modular atmospheric water harvester with improved heat management”的研究論文。論文基于系統(tǒng)層面的熱量和質(zhì)量管理策略，開發(fā)了一種具有串聯(lián)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的吸附式空氣取水裝置。該裝置通過串聯(lián)同軸設(shè)計(jì)大幅減小了吸附床和冷凝器之間的不利熱輻射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)解吸和冷凝過程的半解耦。這一研究為下一代水處理相關(guān)的裝置設(shè)計(jì)提供了新的思路。本文第一作者為制冷與低溫工程研究所博士生鄧芳芳，王如竹教授為通訊作者。
到2030年，資源枯竭、環(huán)境污染和人類用水需求的急劇增長(zhǎng)，將導(dǎo)致全球水資源缺口高達(dá)40%。基于吸附的空氣取水技術(shù)作為一種新興的、普遍適用的可持續(xù)取水技術(shù)，為緩解全球水危機(jī)提供了一條新的途徑。然而，現(xiàn)有空氣取水裝置由于缺乏多維度的傳熱傳質(zhì)設(shè)計(jì)，動(dòng)力學(xué)特性緩慢，導(dǎo)致系統(tǒng)層面的水產(chǎn)量較低。且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、高昂的成本、難以規(guī)模化的系統(tǒng)配置，進(jìn)一步限制了該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。為此，我們從系統(tǒng)層面的熱質(zhì)管理出發(fā)，致力于構(gòu)建低成本、高產(chǎn)量、可擴(kuò)展的高效吸附式空氣取水系統(tǒng)。
針對(duì)傳統(tǒng)面對(duì)面式被動(dòng)取水系統(tǒng)長(zhǎng)期存在的熱利用率、傳質(zhì)性能差等問題，該文提出了一種串聯(lián)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的被動(dòng)空氣取水裝置。在熱量管理方面，該裝置采用多層同軸圓柱結(jié)構(gòu)的吸附床，成功地將太陽(yáng)光吸收與吸附劑內(nèi)水的解吸相解耦，從而保證了高效太陽(yáng)光吸收，加速了水蒸氣的釋放。吸附床與冷凝器采用串聯(lián)同軸布置，大幅減少了二者之前的不利熱輻射，從而實(shí)現(xiàn)解吸側(cè)的高效熱聚集和冷凝側(cè)的快速熱釋放，同時(shí)強(qiáng)化水蒸氣的解吸和冷凝。在質(zhì)量管理方面，該裝置采用中心空氣流道設(shè)計(jì)，引導(dǎo)解吸釋放的水蒸氣沿其密度梯度方向運(yùn)動(dòng)，不僅減小了水蒸氣的傳輸阻力，又通過煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的熱浮力，進(jìn)一步加速水蒸氣的遷移。因此，該裝置可以在無需主動(dòng)能源輸入無需動(dòng)力設(shè)備輔助的條件下，實(shí)現(xiàn)全天候的快速高效取水。
在相對(duì)濕度20-80%、太陽(yáng)輻照強(qiáng)度300-1000 W m-2的廣泛地區(qū)下，該裝置實(shí)現(xiàn)了0.91-3.78 kg m-2 day-1的水產(chǎn)量。通過在典型陰天、多云、晴天天氣的取水測(cè)試，填補(bǔ)了以往被動(dòng)式裝置在低輻照地區(qū)應(yīng)用的空白。且高達(dá)~3.78 kg m-2 day-1的每單位裝置占地面積取水量和~0.047 kg L-1 day-1的每單位裝置體積取水量，與以往報(bào)道的大多數(shù)取水裝置相比，實(shí)現(xiàn)了跨數(shù)量級(jí)的產(chǎn)量提升。另外，單個(gè)模塊的取水裝置的制造成本僅為35.3美元，以商用可得的工業(yè)件作為原材料，保證了裝置的穩(wěn)定性和可靠性，使該裝置在水產(chǎn)量、成本、長(zhǎng)期耐久性以及實(shí)際產(chǎn)業(yè)化等方面具有更大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA多學(xué)科交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（Innovative Team for Energy, Water & Air）長(zhǎng)期致力于解決能源、水、空氣領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。近年來，團(tuán)隊(duì)在Science、Joule、Energy & Environmental Science、Device等國(guó)際期刊上發(fā)表了系列跨學(xué)科交叉論文。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100441
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