近日，上海交通大學王如竹教授領銜的ITEWA團隊聯(lián)合中山大學張杰鵬教授團隊在Applied Physics Reviews（《應用物理評論》）上發(fā)表了題為“Modular all-day continuous thermal-driven atmospheric water harvester with rotating adsorption strategy”的研究論文，報道了一整套“器件-運行策略-裝置”的綜合技術(shù)方案，實現(xiàn)了低品位余熱驅(qū)動的連續(xù)空氣取水。該論文被甄選為期刊亮點論文（Featured article），同時該工作被美國物理學聯(lián)合會主辦的《科學之光》（Scilight）雜志以“Modular water harvester ensures continuous water production for arid regions”為題進行了專訪報道。上海交通大學機械與動力工程學院博士研究生邵昭與中山大學博士生王志爍為論文第一作者，王如竹教授為通訊作者，中山大學張杰鵬教授、周東東副教授為共同通訊作者。
由于工業(yè)化的進程與全球性的氣候變化，目前全球仍有超過四十億人面臨著嚴峻的飲水危機。另一方面，大氣中蘊藏著極為豐富的水蒸氣，水含量大約相當于地球表面河流總量的6倍，如何大量且高效地提取出空氣中的水蒸氣并將其以液態(tài)水的方式收集成為了一個前沿問題。基于吸附式空氣取水技術(shù)借助吸附劑實現(xiàn)低濕度下的水蒸氣吸附以及低品位熱源（如廢熱、太陽能）的脫附，最終可實現(xiàn)將大氣中豐富的水蒸氣轉(zhuǎn)化為可直接飲用的液態(tài)水。雖然目前已有的研究初步展現(xiàn)了空氣取水技術(shù)的可行性，然而目前研究中的運行策略普遍為基于太陽能光熱驅(qū)動的單日單次的運行模式，這一模式?jīng)]有充分利用MOF材料所具有的快速吸附動力學特性，造成了吸附劑性能浪費與成本的上升。同時這一運行模式也不符合“隨時隨地連續(xù)取水”的終極目標。
為此，研究人員提出了基于吸附-脫附動力學的優(yōu)化后的運行策略以及配套純被動冷卻的示范裝置，選擇MOF材料Ni2Cl2(BTDD)作為演示所使用的吸附劑，其一維孔道具有豐富且親水的開放金屬位點，優(yōu)異的水穩(wěn)定性和水吸附性，能使其從眾多MOF材料中脫穎而出。同時該吸附劑可在低濕度下保持較大的水蒸氣吸附量，同時具有極小的回滯特性，十分有利于空氣取水應用場景的需要。
針對該材料特性合作團隊開發(fā)了可適應規(guī)模化應用的封裝方案并設計了全新的運行策略。不同于常規(guī)單吸附模塊的設計，該策略中使用了多吸附模塊以實現(xiàn)裝置的準連續(xù)運行，而吸附模塊數(shù)量經(jīng)過了吸附動力學與脫附動力學的匹配，類似“輪盤”的運行策略可以同時保證裝置的連續(xù)運行以及吸附劑模塊的充分吸附。在該研究中，基于此設計思路及擬合結(jié)果，研究人員最終采用了三塊相同的吸附模塊進行策略演示并據(jù)此設計了可突破日夜限制的低溫位熱能驅(qū)動的空氣取水裝置。
不同于以往研究普遍采用的制冷劑系統(tǒng)輔助的冷凝方案，研究人員基于對冷凝過程的分析開發(fā)了一種純被動式冷凝的空氣取水裝置。該裝置整體使用了快拆結(jié)構(gòu)，可以更好地適應實際應用中的維護與攜帶。經(jīng)過優(yōu)化后的冷凝器被放置在加熱腔體的上部，實現(xiàn)了水蒸氣解吸與冷凝的有效分離，極大減小了冷凝負荷。在實際測試中，配合優(yōu)選的高效吸附劑與所提出的高效運行策略，該裝置在24小時共計12個循環(huán)的連續(xù)運行中實現(xiàn)了2.11 Lwater kgMOF−1 day−1高取水量。同時實驗中充分驗證了夜間取水的優(yōu)勢，借助夜間利于冷凝與吸附過程的低溫高濕環(huán)境，裝置在夜間取得了1.4 Lwater kgMOF−1 day−1的水生產(chǎn)量。
該研究依托材料科學、熱科學、工程制造等多個領域的交叉合作，研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目，國家自然科學基金項目等項目的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0164055
AIP Scilight專訪報道鏈接：https://doi.org/10.1063/10.0022442
學院OA系統(tǒng)
jAccount登錄
ENGLISH
地址：上海市東川路800號上海交通大學閔行校區(qū)機械與動力工程學院
郵編：200240
Email：sjtume@sjtu.edu.cn