近日，機械與動力工程學(xué)院制冷與低溫工程研究所王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團隊在Nano Energy上發(fā)表題為“Continuous atmospheric water production coupled with humidity regulation enabled by a MOF-based humidity pump”的研究論文，提出了一種基于MOF材料的吸附式濕泵，實現(xiàn)了連續(xù)式空氣取水與濕度調(diào)節(jié)功能耦合，裝置取水量高達(dá)2510 mLwater·kg-1MOF·day-1，同時充分挖掘MOF在大氣水吸附過程中的除濕潛力，為下一代裝置設(shè)計提供了新思路。制冷與低溫工程研究所博士生陳芷薈為論文第一作者，王如竹教授為通訊作者。
淡水資源短缺正威脅著人類社會的可持續(xù)發(fā)展，吸附式空氣取水技術(shù)能夠利用吸附劑從大氣中捕獲水分并冷凝收集液態(tài)水，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前該領(lǐng)域研究從材料科學(xué)到工程應(yīng)用仍存在顯著差距，如何強化吸附床熱濕耦合傳遞以充分發(fā)揮吸附劑的吸濕性能，同時優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)連續(xù)式大氣水生產(chǎn)以滿足實時用水需求，是值得研究的重點問題。此外，研究關(guān)注到大氣水吸附伴隨局部除濕過程，將濕度調(diào)節(jié)功能引入取水裝置設(shè)計構(gòu)建雙功能耦合濕泵系統(tǒng)，有利于將該技術(shù)推向更廣泛的應(yīng)用場景。
MOF涂層吸附模塊的制備與表征
研究團隊選用金屬有機框架材料Ni2Cl2(BTDD)作為大氣水吸附劑，采用原位浸漬法制備得到具有快速水蒸氣吸附-解吸動力學(xué)特性的MOF涂層吸附模塊，設(shè)計搭建了一款小型吸附式熱電濕泵，采用多循環(huán)吸附-解吸同步運行策略以實現(xiàn)連續(xù)式空氣取水耦合區(qū)域濕度調(diào)節(jié)目標(biāo)。實驗結(jié)果顯示，裝置吸附側(cè)出口空氣濕度由72% RH降到58% RH，連續(xù)運行11個循環(huán)取得2510 mLwater·kg-1MOF·day-1的日產(chǎn)水量，優(yōu)于現(xiàn)有的大多數(shù)主動式空氣取水裝置，與吸附劑本身的吸濕能力相比，多循環(huán)連續(xù)運行策略使其吸附性能提升了約3.7倍。
吸附式熱電濕泵結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱質(zhì)傳遞優(yōu)化
連續(xù)式空氣取水耦合濕度調(diào)節(jié)功能裝置實驗驗證
研究團隊采用熱電材料作為解吸熱源實現(xiàn)了取水系統(tǒng)的小型化設(shè)計，為小型空氣取水裝備的研發(fā)提供了新思路和有效途徑。未來為實現(xiàn)大規(guī)模且低能耗空氣制水，可以采用壓縮式熱泵技術(shù)與除濕換熱器結(jié)合的方式，且小溫差壓縮式熱泵可以采用冷凝廢熱實現(xiàn)吸附材料再生，每升水的耗電量預(yù)計可以降到熱電系統(tǒng)的18%以下，進(jìn)而推動吸附式空氣取水技術(shù)走向現(xiàn)實生活。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA交叉學(xué)科創(chuàng)新團隊致力于解決能源、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)科交叉實現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，近年來在Science, Nature Water, Joule, Energy & Environmental Science, Nature Communications等國際期刊發(fā)表系列學(xué)科交叉論文。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109596
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