近日，制冷與低溫工程研究所王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團隊在Nature Communications上發(fā)表題為Exceptional water production yield enabled by batch-processed portable water harvester in semi-arid climate的論文，通過分析目前空氣取水系統(tǒng)的優(yōu)缺點及適用條件，從操作模式的角度彌合了吸附解吸動力學(xué)的差距，提出了新型“夜間批量吸附-日間逐個解吸”的批處理吸附-解吸模式。同時，根據(jù)高性能吸附劑以及取水系統(tǒng)的精心傳熱傳質(zhì)設(shè)計，應(yīng)用該模式的便攜式空氣取水系統(tǒng)，實現(xiàn)了中國蘭州半干旱氣候下（日間最低相對濕度15%）單日311.69 g的高取水量。該論文第一作者是制冷與低溫工程研究所博士研究生山訸。
圖 空氣取水裝置的開發(fā)及其結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化
吸附式空氣取水產(chǎn)量低，難以進行大規(guī)模和商業(yè)化利用，主要是因為受制于吸附材料在低濕度下有限的吸附量，粗糙的系統(tǒng)設(shè)計以及未經(jīng)優(yōu)化操作模式三個方面。文章采用氯化鋰鹽-水的熱力學(xué)相圖性質(zhì)和線性驅(qū)動動力學(xué)模型，進行平衡吸附量和吸附動力學(xué)的預(yù)測和優(yōu)化，開發(fā)了高性能氯化鋰復(fù)合吸附劑材料。同時，為了更準(zhǔn)確地評估實際半干旱氣候中的實際吸附性能，文章表征了大片吸附劑（250 x 250 x 2 mm）在典型半干旱氣候下的吸附與解吸性能，并比較了吸附和解吸的吸附動力學(xué)。作者發(fā)現(xiàn)，除了實際塊狀吸附劑相對于毫克級測試樣品的吸附性能的降低以外，水捕獲和釋放速率之間存在顯著的不匹配，解吸速率遠高于吸附速率。吸附的最大質(zhì)量變化僅為解吸過程的最大變化量的1/10。為此作者設(shè)計了便攜式電加熱空氣取水系統(tǒng)進行傳熱傳質(zhì)的優(yōu)化，并采用熱柵格實現(xiàn)自然對流和輻射屏蔽，提高解吸和冷凝效率。
圖 常用空氣取水操作模式（a）晝夜單循環(huán)；（b）連續(xù)式；（c）提出的批處理替換模式
作者沒有采用常見的晝夜單循環(huán)(a)和單吸附劑吸附-解吸的連續(xù)式(b)操作模式，而是提出了一種獨特的批處理操作策略(c)：多片吸附劑在夜間同時暴露于高相對濕度的環(huán)境中以吸收水蒸氣，然后在白天交替批處理以釋放水，以充分利用夜間高相對濕度環(huán)境，同時在白天全天保持高解吸率。在實際設(shè)備操作中，這種操作策略要求吸濕材料和取水裝置的便攜性、適應(yīng)性和穩(wěn)定性。文章所采用的吸附劑具有擴大化生產(chǎn)，成本低且質(zhì)量輕，穩(wěn)定性好的特點，適合多塊吸附劑同時制作與攜帶，可快速部署到實際應(yīng)用中，而便攜式和廉價的空氣取水裝置易被拆卸、重新組裝和由單人攜帶。這些特點都使得該模式的單日高產(chǎn)水量成為可能。
該空氣取水裝置在半干旱氣候（中國甘肅蘭州）進行實際測試，當(dāng)?shù)貙嶒灉y試時最低相對濕度為15%。最終實現(xiàn)了單日311.69 g (311.69/day)的取水量，能耗為0.695 kWh （448.5 mL/kWh），突破了百克級的單日產(chǎn)水量。從整個裝置水平來看，設(shè)備先進的熱設(shè)計、避免使用復(fù)雜的輔助設(shè)備（如風(fēng)扇、冷凝器），以及充分利用解吸時間的批處理策略都共同貢獻于如此高的取水量。最終，體積為5.6升、重量為3.2千克的便攜式空氣取水裝置實現(xiàn)了超越百毫升的單日取水量，顯示了整個裝置在重量、空間和取水量方面的明顯優(yōu)勢。在連續(xù)六日模擬蘭州春秋季節(jié)、冬季以及夏季工況下的循環(huán)穩(wěn)定性測試中，該空氣取水裝置實現(xiàn)了穩(wěn)定的取水量。
圖 空氣取水器件在不同模擬氣候條件下的連續(xù)工作穩(wěn)定性和取水量
圖 空氣取水裝置性能預(yù)測
為了全面評估產(chǎn)水潛力，作者選擇了全球干旱、半干旱和潮濕氣候等典型氣候地區(qū)，保守估計了每個氣候下的產(chǎn)水量。受到環(huán)境相對濕度的顯著影響，在英國伯明翰的濕潤氣候下可以實現(xiàn)超過1 L/day的取水量，而在撒哈拉沙漠的干燥季節(jié)每日產(chǎn)水量僅約150 mL。同時，預(yù)測表明除青藏高原、北非等地區(qū)外，在大多數(shù)地區(qū)，取水裝置的產(chǎn)水潛力超過350毫升/天。
吸附式空氣取水技術(shù)是近年來興起的在低濕度環(huán)境中獲取飲用水的新穎技術(shù)，對于干旱地區(qū)、離網(wǎng)地區(qū)和緊急條件下獲取飲用水具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。該工作有望為下一代空氣取水系統(tǒng)提供從材料、器件設(shè)計到模式創(chuàng)新三方面的思路。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團隊近年來在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Matter、Nature Communications、Chemical Society Reviews等期刊上發(fā)表了30余篇交叉學(xué)科論文，該團隊致力于解決能源、水、空氣交叉領(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)域取得突破性進展。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33062-w
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