吸附式空气取水系统用吸湿材料研究进展

王胜楠，陈康，郑旭

（浙江理工大学建筑工程学院，浙江 杭州 310018）

淡水是维持人类生命体征最重要的物质。然而，淡水资源在全球范围内分布不均，而且随着人口的迅速增长以及工农业的大力发展，使许多国家和地区的淡水资源短缺问题日益严峻。目前，全球可用的淡水资源仅占淡水总量的2.5%，其中68.7%以冰川形式存在于两极地区，较难开采利用。多数国家通过修建水坝、跨区域调水和海水淡化等大型工程来满足供水需求。但是，建造水坝和跨区域调水工程所需的建设周期长、工程量大、投入和运行成本高，而海水淡化工程需要海水资源且对电力设施的依赖程度大，限制了在内陆干旱地区或不具备大型电力设施的岛礁的应用。因此，在大型淡水调配及生产工程的基础上，辅助小型的取水系统是有必要的。

小型取水系统通常采用提取地表水或地下水进行净化处理和从空气中取水的技术手段。在所有的水源中，空气中的水由于受地理环境的限制小、水生产过程中对环境的影响小，并且空气的含水量巨大，据统计约为地表江河水总量的6倍，深受科研人员的青睐。空气取水技术主要包括直接冷凝法、膜分离法和吸附/吸收法。其中，吸附式空气取水技术依靠固体吸湿材料的吸放湿特性，可提高被处理空气的水蒸气分压力，即使在干旱条件下，也能保证一定的取水能力。该技术工作原理如图1所示，在吸附阶段(a)，环境空气与吸湿剂直接接触，其中的水蒸气被吸湿剂吸附；在脱附阶段(b)，加热吸湿剂使其中的水分脱出，脱附出的水蒸气被冷凝，变为液态水。最近，Hua 等基于热力学定律及㶲概念，计算了不同气候条件、工质和运行参数下直接冷凝式和吸附式空气取水技术的能耗。研究指出，相比冷凝式，吸附式空气取水技术不仅适用于干旱地区，除了热带和亚热带沿海地区外，吸附式的能耗普遍更低。而且，应用太阳能、工业余热等低品位热能作为再生热源，可进一步节能。随着吸湿材料、器件及系统的不断创新，吸附式空气取水技术被认为是辅助解决沙漠、岛礁等地区淡水资源短缺问题的有效手段。

图1 吸附式空气取水技术工作原理[6]

吸湿剂的吸放湿特性对吸附式空气取水系统的取水效果起着关键作用，因而高效吸湿剂的研发对于系统性能的提升至关重要，是国内外学者的研究重点。随着材料科学的快速发展，各类新型的吸湿材料层出不穷，并在吸附式空气取水系统中得到了应用。本文详细介绍了吸湿剂的性能特点及在吸附式空气取水系统的研究现状以及最新进展，包括吸湿性聚合物和复合吸湿剂（多孔材料-盐、聚合物-盐、聚合物-聚合物和多孔材料-聚合物），并对吸湿材料未来研究的发展方向进行了展望。

1 理想吸湿剂特性

吸湿剂主要指能够吸附空气中水蒸气并能在一定条件下实现脱附的材料。在吸附/脱附工况、运行时间、空气状态等条件都一定时，吸湿剂的吸附和脱附性能将直接决定吸附式空气取水系统的取水效果。

水蒸气的吸附等温线是评估吸湿剂性能的重要指标，表征了吸湿剂在特定温度下的饱和吸附量随相对湿度的变化趋势。图2显示了国际理论与应用化学联合会归纳的6 种吸附等温线类型。其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅵ型均属于亲水性材料，这些材料在较低相对压力下就拥有较高的吸水量。例如，在25℃和30%RH环境下，CPO-27(Ni)和CaCl@UiO-66_53的吸水量分别为0.42g/g 和0.73g/g，MOF-303在30℃和20%RH 环境下的吸水量为0.38g/g。Ⅲ和Ⅴ型则属于疏水性材料，例如K改性聚丙烯酸在20℃和30%RH 条件下的吸水量为0.085g/g，Cr-soc-MOF-1在25℃和30%RH 工况下的吸水量仅有0.05g/g，该类吸湿剂在低相对压力下吸水量较低。不同的是，Ⅲ型材料在相对压力接近1时才会出现吸水量突增的现象，而Ⅴ型材料在中段相对压力区间会呈现S形，表明吸水量可在较窄相对压力范围内实现突增。

图2 国际理论与应用化学联合会归纳的六种吸附等温线类型[10]

除湿主要针对湿度较高的气候，如ARI humid（30℃和63%RH）和上海夏季（34℃和65%RH），而空气取水应覆盖各类湿度条件，如从沙漠干燥气候（夏季25℃和39% RH，冬季15℃和39% RH）到沿海岛礁高湿气候（普适研究工况：25℃和75% RH）。王佳韵认为，理想的空气取水材料应呈现出近线性的等温吸附线。应用具有上述吸附等温线的吸附剂，无法使吸附式空气取水系统达到最佳性能。如具有Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅵ型吸附等温线的吸湿剂，在低湿度下脱附量较少；Ⅴ型存在范围较窄的S形阶跃，无法实现宽领域吸附的要求。随后，Tu等进一步提出了适用于空气取水的理想吸湿剂的吸附等温线特征，即吸湿剂应对温度具有较高敏感度：在低温吸附过程（＜25℃）中，平衡吸附量随相对湿度的增大呈线性增加；在较高温（＞35℃）脱附过程中，平衡吸附量随温度升高而迅速降低。最近，Ejeian和Wang认为不同的温湿度气候适用不同的空气取水材料，可以根据材料自身的平衡吸附性能、动力学吸附/脱附性能来确定其应用环境和适用的装置结构。

总体而言，吸附式空气取水系统的理想吸湿剂应具备以下特征：①高吸湿性能；②快速的吸附动力学特性；③易于利用低品位能源再生；④具备长时间稳定运行的能力。此外，还应具有较小的吸附热、无毒无害以及价格低廉等其他性能。

迄今为止，公开报道的吸湿剂主要分为单一吸湿剂和复合吸湿剂两大类。单一吸湿剂主要分为以下三类：①基于物理吸附的多孔材料，如硅胶、活性炭和沸石等；②以吸湿性无机盐为主的化学吸收材料，如氯化锂、氯化钙和硫酸镁等；③各类新型吸湿性聚合物，如具有纳米级孔道结构的有机骨架化合物、温敏材料以及高分子聚合物等。复合吸湿剂由两种或两种以上吸湿材料复合而成，主要包括多孔材料-盐，聚合物-盐、聚合物-聚合物和多孔材料-聚合物等类别。

硅胶、活性炭和沸石等多孔材料通过内部孔隙结构与周围空气之间的水蒸气压差来实现吸附，该类吸湿剂易于生产、价格低廉、无毒无味、化学性质稳定，但存在吸湿量低或再生温度高等不足。氯化锂、氯化钙和硫酸镁等吸湿盐通过与水结合生成水合物或溶液实现干燥，这类吸湿剂具有一定的腐蚀性，在高湿工况下容易液解，进而引发吸湿剂的流失和腐蚀吸附床的隐患。上述不足限制了二者在空气取水系统中的应用。近年来报道的一些单一吸湿剂中的聚合物类和各类复合吸湿剂改善了多孔材料和吸湿盐在空气取水应用中的不足，在以下章节中，将重点分析该类材料的性能特点，并对其在吸附式空气取水系统中的应用进行全面地归纳和总结。

2 吸湿性聚合物

吸湿性聚合物由一系列大分子构成，主要包括聚合物电解质和金属-有机框架化合物。该类吸湿材料具有吸湿量大、吸湿速率快、等温吸附线可调、形态多样等优点，因而受到了众多研究者的关注，并逐渐在除湿、空气取水、空调等领域得到应用研究。下面具体介绍聚合物电解质和金属-有机框架化合物。

2.1 聚合物电解质

聚合物电解质是一类具有高吸湿性和快速吸附性能的有机高分子材料。某些聚合物电解质的吸附等温线表现出与某些多孔材料相似的Ⅱ型吸附等温线，但它们的吸水机理与多孔材料不同，其优异的吸湿性能归因于三维交联网络结构与大量的亲水基团和离子基团。在与水接触时，三维交联网络结构引发的毛细现象促进水分快速地向聚合物内部扩散；同时，大量的亲水基团与极性水分子不断地结合形成氢键。此外，聚合物内部的离子基团陆续电离形成离子浓度差，进一步促使水分向聚合物内移动。

各种聚合物电解质由于单体的不同，表现出不同的吸湿性能。Chang 等通过实验测得聚丙烯酸钠在30℃和70%RH 下的吸湿量为0.62g/g。Sultan等测试了聚苯乙烯类聚合物PS-Ⅰ和PS-Ⅱ在30℃和70%RH 环境下的吸湿量，分别为0.45g/g 和0.60g/g。此外，离子基团的不同也将导致聚合物电解质吸湿性能存在较大差异。于博和郑旭分别使用Na和K对聚丙烯酸型聚合物进行改性，在20℃和70%RH 的工况下，两种改性后的聚合物吸湿量分别为0.61g/g和0.17g/g。

聚合物电解质具有很高的吸湿能力和较好的再生性能。Nandakumar等开发了一种由乙酸锌与乙醇、氨基醇和水混合而成的具有高吸湿性能的水凝胶，该水凝胶在25℃和90%RH 的工况下吸湿量可达4.2g/g，且可利用太阳能等低温热源（＜55℃）再生。应用该水凝胶的空气取水装置一天内的取水量可达10kg/kg。

2.2 金属-有机骨架化合物

金属-有机骨架化合物（MOFs）是由无机金属中心和有机配体连接而成的具有开放框架结构的多孔配位化合物，通过合理的成分和孔结构设计可使其具备很大的比表面积和孔体积，从而具有高吸湿性能。Towsif Abtab 等构建了一种具有高孔隙率和良好吸水性能的MOFs 材料Cr-soc-MOF-1，在20℃和75%RH 工况下的水蒸气吸收量高达1.95g/g。Elsayed 等在25℃和90%RH 工况下测试两种MOFs 材料，即CPO-27(Ni)和富马酸铝的吸水量，分别为0.47g/g 和0.53g/g，均比硅胶吸水能力强。

不同类型的MOFs 材料吸湿性能差异明显。Furukawa 等通过实验测试了23 种MOFs 材料在25℃时的水蒸气吸附性能，结果如图3所示。可以看出，对于微孔的Zr-MOFs，如UiO-66 在90%RH时的吸湿量最大可达到0.43g/g，MOF-801-SC 为0.28g/g，MOF-801-P 为0.36g/g。对于大孔的Zr-MOFs，如PIZOF-2、DUT-67 和MOF-808，在相同工况下的吸湿量分别为0.68g/g、0.5g/g 和0.59g/g。对于其他类型多孔MOFs，如CAU-10、Co-MOF-74和Basolite-A300 的最大吸湿量分别为0.29g/g、0.51g/g和0.65 g/g。

图3 不同MOFs材料的吸水能力[28]

同构型的MOFs材料，若有机配体或金属团簇不同，吸湿性能也不同。Seo 等合成的MIL-101(Cr)和MIL-100(Fe)，在30℃和60%RH 的条件下吸湿量分别为1.5g/g 和0.84g/g。Akiyama 等研究了MIL-101、MIL-101-NH、MIL-101-NO和MIL-101-SOH在25℃和60%RH下的平衡吸湿量，分别为1.29g/g、0.94g/g、0.93g/g 和0.68g/g。Wade 等合成了Zn （NDI-H）、Zn （NDI-NHET） 和Zn（NDI-SET），在20℃和90%RH 条件下，吸水量分别为0.47g/g、0.3g/g和0.24g/g。Trapani等向UiO-66 中分别引入氨基和磺酸基，实验发现，相同工况下磺酸基的引入能提高UiO-66 亲水性，氨基则不能。

部分MOFs材料在吸附式空气取水系统中已经得到了应用。Kim等将MOF-801应用在自主设计的太阳能空气取水装置中，在35℃和20%RH 空气条件且无额外能量输入的情况下，每千克吸湿剂一次循环可取水0.3kg，每天的取水量可达2.8kg。Hanikel 等以MOF-303 为吸湿材料的吸附式空气取水装置，研究报道，在室内干燥环境下（27℃和32%RH）和沙漠极端条件下（27℃和10%RH）分别经过一天的昼夜循环，每千克吸湿材料可集水1.3kg和0.7kg。

所用吸湿剂对空气取水系统运行效果起着决定性的作用，表1 总结了上述MOFs 材料的一些性能参数。可以看出，多数MOFs 在40%～60%RH 工况下的吸湿量比硅胶、活性炭等常见吸湿剂的吸湿量高。

表1 金属有机骨架化合物性能参数

3 复合吸湿剂

3.1 多孔材料-盐类

多孔材料-盐类复合材料一般是由多孔材料浸渍无机盐溶液后经干燥制得。硅胶、分子筛和活性炭等多孔材料吸附性能稳定、价格低廉，但吸附量较低。而吸湿性无机盐（卤素盐、硝酸盐、硫酸盐等）吸水性能较高，但吸水性能不稳定，在较高相对湿度下容易发生液解（过量的吸水导致盐颗粒湿润，进而逐渐溶解，形成盐溶液）。液解不仅会引起无机盐的流失，还会腐蚀系统。复合材料既保留了吸湿性盐的高吸水特性，又保留了多孔材料的吸附稳定性，与此同时液解后的盐溶液贮存在多孔材料的孔隙中，有效缓解盐的液解问题。需要注意的是，在高湿工况下，复合材料吸水量如果超过其孔体积，则多余的溶液仍会从多孔颗粒内滴出来，如图4所示。因此在实际应用时，需要适当降低盐含量，以避免溢液问题。比如，在较高相对湿度的恒温恒湿箱中对复合材料进行强制液解，使多余的盐溶液从多孔基质中溢出。

图4 复合材料吸湿过程示意图[16]

吸附式空气取水系统中常用的多孔材料-盐类复合吸湿材料包括硅胶-盐、分子筛盐、活性炭纤维-盐和双盐复合材料四类。表2 总结了该类复合吸湿材料的吸附条件和吸水量等一些性能参数。

表2 多孔基质-盐复合吸湿剂性能参数

3.1.1 硅胶-盐

硅胶是一种物理吸附剂，具有吸附性能较好、再生温度低、价格便宜等优势，常被用作复合吸湿剂的多孔介质。硅胶-盐复合吸湿剂的吸水量通常优于纯硅胶。研究表明，影响硅胶-盐复合材料吸附性能的因素主要包括硅胶种类、吸湿盐种类和盐含量。

程俊峰等研制了一种由粗孔硅胶和MgCl制成的复合吸湿剂，并研究了组分比例和浸渍时间对复合材料吸湿量的影响。研究表明，平衡吸附量和吸附速率都随着MgCl含量的升高和浸渍时间的增加而升高。郝刘仓等用FNG硅胶分别浸渍不同浓度的LiCl 溶液，在25℃和35%RH 工况下，质量分数为40%的复合材料吸湿量最大，为0.286g/g，且可在80℃下再生，研究者认为该材料适用于干旱地区空气取水。Simonova等用介孔二氧化硅KSK浸渍饱和Ca(NO)盐溶液制备了复合材料SWS-8L，在35℃和21%RH 工况下，吸水量可达0.21g/g，是纯KSK的3.5倍。刘金亚等制备了使用硅胶/CaCl和硅胶/LiCl 的吸附式空气取水装置。每千克吸湿剂的产水量（25℃和60%RH 环境下吸附至饱和，之后70℃下脱附6h）分别为0.172kg和0.168kg。

3.1.2 分子筛-盐

沸石分子筛是碱或碱土元素，如钾、钠、钙等的结晶态硅铝酸盐。传统沸石如A 型、 X 型和Y 型，结构中的Al与水分子间有着较强的吸附作用力，通常需要较高的再生温度（＞200℃），限制了它们在吸附式空气取水系统的应用。20世纪末，一类以MCM-41为代表的、具有有序孔道结构、大小均匀、孔径可在2～10nm 范围内连续调节、比表面积大等特点的有序介孔分子筛被合成。此后，不同孔径大小的有序介孔材料, 如MCM-48、MCM-50、SBA-15等被不断合成。该类材料表面有很多亲水性官能团，吸附性能比普通介孔硅胶更好。

李军等用13X沸石分子筛分别浸渍不同浓度的CaCl溶液制得5 种复合吸湿剂，并进行了吸附性能测试。与硅胶基-盐复合吸湿剂相似，浸渍溶液浓度越高，13X/CaCl复合吸湿剂的吸湿性能越好。赵惠忠等研究了浸渍不同浓度LiCl溶液的复合13X 沸石分子筛。研究发现，当盐浓度大于≥35%时，复合吸湿剂在高相对湿度下会出现液解，且随着浓度的升高，液解越明显。之后进行了盐浓度为20%的复合吸湿剂（MZ）与不同质量分数石墨烯的混合研究。当石墨烯质量分数为3%时，混合材料（3G-MZ） 吸湿性能最佳，在25℃和60%RH 工况下为0.587g/g，是纯13X 的2.7 倍，还能在80℃和20%RH 工况下再生。Ji 等合成的MCM-41/CaCl复合吸湿剂平衡吸水量可达到1.75g/g，而且能够在80℃下脱附出90%的水。将0.4kg 复合吸湿剂置于具有钢丝抽屉式吸附床结构的太阳能空气取水系统，系统的有效太阳能集热面积为0.16m，日产水量可达1.2kg。

3.1.3 活性炭纤维-盐

活性炭纤维是经过活化的含碳纤维，内部的微孔结构使其具有很大的比表面积，因而对水蒸气的吸附能力比一般的活性炭要高，是一种性能优异的多孔基质。Zheng 等用活性炭纤维浸渍饱和LiCl 溶液制得ACF/LiCl 复合材料，在20℃和70%RH 工况下，复合材料的吸湿量为纯活性炭纤维的3～4倍，最大吸水量可达1.30g/g。Wang等用活性炭纤维浸渍CaCl溶液得到ACF/CaCl复合吸湿剂，在20℃和70%RH 工况下的吸湿量高达1.6g/g，是硅胶/CaCl的3倍。刘金亚等将ACF/CaCl和ACF/LiCl用于吸附式空气取水装置，一次循环的产水量分别为0.38kg/kg、0.41kg/kg（25℃和60%RH 下吸附至饱和，后置于90℃温度下脱附6h）。

但是，活性炭纤维质地较软，无法形成固定的形状结构。Wang 等对ACF/LiCl 的制备过程进行了改进：在浸渍LiCl之前，先将活性炭纤维浸渍在硅溶胶中固化，增大其机械强度。该固化复合材料在25℃和90%RH 下的吸水量为1.2g/g，在77℃和20%RH 工况下的最大脱附量为0.6g/g。随后，Wang 等将上述材料应用在吸附式空气取水系统中，25℃和85%RH 下吸附饱和，之后在77℃热空气（电加热）中脱附5.5h，每天最多可取水14.7kg。此外，还运用太阳能集热器代替电加热器，研究发现每天可取水9kg。

Li 等将LiCl 填充在一种纳米碳空心胶囊（HCS）中，制备了HCS/LiCl 复合材料。该材料在25℃和80%RH 下，4h 内达到吸附饱和，吸湿量为2.2g/g。之后，将该材料置于纤维状二氧化硅基体上，制得HCS/LiCl@SiO。在22℃和60%RH环境下3h，可吸附约自身质量36%的水；在1kW/m模拟太阳光条件下，25min内能释放90%的水。每千克该材料日产水量达1.6kg。

3.1.4 双盐复合材料

双盐复合吸湿材料是用多孔基质浸渍两种不同的吸湿性盐溶液制得，制备方式通常有两种：①直接浸渍混合溶液（一步法）；②先后浸渍单独溶液（两步法）。郑旭用一步法（浸渍LiCl和LiBr混合溶液）制备的双盐复合硅胶，虽然平衡吸湿量逊于硅胶/LiCl，但吸附速率有着较为显著地提升。Tso 等用两步法（先浸渍10%的NaSiO，而后浸渍46%的CaCl）制备了活性炭/CaCl/NaSiO，25℃下的最大吸湿量为0.85g/g，且可在55～100℃温度范围内实现再生。

Zhao 等用13X 沸石浸渍不同比例的LiCl 和CaCl混合溶液，并测试了复合吸湿剂的吸湿性能。结果发现，在25℃和80%RH 工况下，CS6（混合溶液中LiCl与CaCl质量比为6∶1）的吸附量最大，为1.1g/g。贺杨堃等用硅胶浸渍CaCl和MgCl混合溶液，制备的复合吸湿剂吸湿量可达0.43g/g，是硅胶的2 倍，吸湿速率是硅胶的3.5 倍。Ejeian等分别采用一步法和两步法制备了ACF/LiCl/MgSO，发现两步法制得的复合材料性能更好，在20℃和70% RH 工况下吸湿量可达2.2g/g。用2.4g复合吸附剂置于一个小型空气取水系统，产水量约1.5g/g（25℃和70%RH 下吸附，80℃下脱附，20℃下冷凝）。之后，以太阳能和相变材料为热源和冷源，在20℃和45%RH 下吸附6h，并在日照下脱附，产水量为0.75g/g。

可以发现，多孔基质材料与吸湿盐复合会提高吸附性能，但若盐含量过多，复合吸湿剂将过量吸湿，发生盐溶液溢出，导致吸湿剂的流失和对系统的腐蚀。

3.2 聚合物-盐类

3.2.1 聚合物电解质-盐

聚合物电解质-盐类复合吸湿剂是以聚合物电解质为基质，混合吸湿性盐制成。这类复合吸湿剂利用盐中的金属阳离子对聚合物电解质原有的离子基团进行改性，从而提升聚合物电解质的吸湿性能。

Yang等用SAP（一种基于聚丙烯酸钠的聚合物）浸渍LiCl 溶液制得水凝胶SHC，在25℃和99%RH 下的吸湿量最高可达2.96g/g，是纯SAP 的两倍。Li 等制备的由聚丙烯酰胺水凝胶和CaCl组成的柔性光热复合吸湿剂PAM/CNT/CaCl，25℃和80%RH工况下吸水量可达1.75g/g，而且吸附的水分可在日照下脱附。后将35g PAM/CNT/CaCl置于一体式空气取水设备，在自然光条件下，单次循环可生产淡水20g。Kallenberger 等以海藻酸盐衍生的水凝胶为基质，向其中加入CaCl，制得Alg-CaCl。在28℃和26%RH 工况下吸湿量高达1g/g，而且吸附的水分可在100～150℃下实现完全脱附。研究者预测，1m复合吸湿剂单次循环的取水量可达660kg。

此外，向聚合物电解质中浸渍双盐还能进一步提升其吸湿量。Entezari 等先后浸渍CaCl和LiCl溶液到海藻酸钠，制得复合材料Bina/FCNT，在25℃和70%RH 下吸水量高达5.6g/g，是L/FCNT（单独浸渍LiCl）吸水量的1.5倍，并能在15min 内脱附。将5g 该材料置于取水装置中，在环境温度下吸附7h，并在80℃下脱附，产水率达1.16g/g。

3.2.2 MOFs-盐

MOFs 本身具有较高的吸湿能力，向MOFs 中掺混吸湿性盐制得复合吸湿剂，可进一步提升其性能。Elsayed 等用MIL-101(Cr)浸渍饱和CaCl溶液制得复合吸湿剂MIL-101(Cr)/CaCl，提升了MIL-101(Cr)在低湿度条件下的吸湿能力，该复合吸湿剂在25℃和30%RH 下的吸湿量高达0.65g/g。不同吸湿性盐种类改性的复合MOFs 材料吸湿能力不同。Rieth 等研究了三种复合吸湿剂MnCl(BTDD)、CoCl(BTDD)和NiCl(BTDD)，其中，CoCl(BTDD)的吸水性能最佳，在25℃和94%RH 工况下吸湿量为0.97g/g。在沙漠地区（白天45℃和5%RH，夜晚25℃和35%RH）的模拟实验发现，CoCl(BTDD)一次循环的取水量为0.82g/g，接近MOF-841（0.48g/g）的两倍。将该吸湿剂应用在吸附式空气取水装置中，每千克吸湿剂一次循环取水量可达0.87kg。

此外，复合吸湿剂的吸湿量随吸湿性盐含量的升高而提高。Garzón-Tovar 等制备了三种不同CaCl含量的UiO-66 基复合吸湿剂（CaCl@UiO-66_38、CaCl@UiO-66_50 和CaCl@UiO-66_53），在20℃和90%RH 吸附工况下，吸湿量分别为1.93g/g、2.24g/g 和2.59g/g。Xu 等分别用质量分数为33%和51%的LiCl制备了LiCl/MIL-101(Cr)_33和LiCl/MIL-101(Cr)_51。LiCl/MIL-101(Cr)_51 在干旱气候下也具有很高吸湿量，如在30℃和30%RH工况下，其平衡吸湿量可达到0.77g/g，约为LiCl/MIL-101(Cr)_33的2.6倍、MIL-101(Cr)的15倍。将其应用在太阳能吸附式空气取水装置中，在30℃和30%RH 下吸附，在模拟日照条件（1kW/m）下，每千克吸附剂的取水量为0.7kg，在室外日照条件（0.5～0.8kW/m）下，取水量为0.45kg。

表3 总结了聚合物-盐复合吸湿剂的吸水性能等参数，可以看出，单独聚合物电解质和MOFs在高湿度条件下的吸湿能力强，但在低湿度条件下吸湿能力略逊。而向其中掺混吸湿性盐可有效提高吸湿剂在低湿度条件下的吸湿能力，使吸湿剂能满足宽领域吸附的要求，进而提高了应用此类吸湿剂的吸附式空气取水系统在干旱地区的取水效果。

表3 聚合物-盐复合吸湿剂性能参数

3.3 聚合物-聚合物类

聚合物-聚合物类复合吸湿剂可以综合多种聚合物的性能，表现出独特的有别于其他复合吸湿剂的特点。其中，以温敏型复合吸湿剂[在吸湿性聚合物上接枝如聚-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）等具有温敏性的聚合物]最具代表性，在吸附式空气取水中逐渐得到了应用研究。

Zhao 等将经氯离子改性的聚吡咯（PPy-Cl）与PNIPAM纳米凝胶复合，得到一种具有超高水蒸气吸附能力的凝胶SMAG。当环境低于40℃时，SMAG的吸湿量与温度变化基本无关，而与湿度变化关系密切，在30%RH、60%RH 和90%RH 工况下的平衡吸湿量分别为0.7g/g、3.4g/g、6.7g/g。此外，吸附饱和后在40℃下可脱附出约86%的水分，在80℃下基本脱附完全。将该凝胶应用在简易太阳能吸附式空气取水装置中，吸附条件为75%RH（温度＜40℃），脱附条件为1kW/m的太阳辐射，持续进行28 次吸附-脱附循环（吸附时间为50min、脱附时间为10min），每克吸湿剂可取水55g。Karmakar等利用自由基聚合法将PNIPAM与MIL-101(Cr)合成了复合吸湿剂PNIPAM@MIL-101(Cr)，在25℃和96%RH 工况下吸湿量高达4.4g/g，是纯MIL-101(Cr)的4 倍，而且98%的水分可在40℃和40%RH条件下脱附出来。

可以发现，PNIPAM的加入使这类复合吸湿剂既有着高吸湿性，又能通过温度的变化控制其吸放湿特性，在吸附式空气取水领域具有广阔的应用前景。

3.4 多孔材料-聚合物类

除了上述多孔材料-盐、聚合物-盐、聚合物-聚合物等复合吸湿剂类别外，近来也出现了多孔材料-聚合物类吸湿材料的报道。Wang等制备了以丙烯酸聚合物乳液包裹碳化硅颗粒的杂化超两疏表面涂层SAS，该涂层提高了水滴凝结的速率和集水性能。相对于纳米SiO超两疏表面（SOS），在相对湿度为80%的条件下，SAS 在5h 内的集水量比SOS 提高了394%，集水率是SOS 的两倍以上。Chen等将硅胶、聚丙烯酸和聚丙烯酸钠按10∶1∶1的比例混合合成了复合吸湿剂SC/PAA/PAAs，该材料在25℃和90%RH 的平衡吸湿量为0.52g/g，是硅胶的1.5 倍（0.35g/g），而且还能实现40～50℃下的脱附。Yao 等用聚丙烯酸钠和氧化石墨烯制备了复合吸湿材料PAAS/GO。由于聚丙烯酸钠的存在，复合吸湿剂表现出高吸湿性，在25℃和15%RH 工况下的平衡吸湿量为0.14g/g，25℃和100%工况下的吸湿量可达5.20g/g。氧化石墨烯的光-热转化能力让复合吸湿剂拥有较低的再生温度（60℃），使其在太阳光照射下便可实现脱附。以PAAS/GO 为吸附剂的太阳能吸附式空气取水装置，在室外测试环境下，每千克吸湿剂每天可取水约25kg。

可以看出，该类复合吸湿剂在高湿环境下的吸水性能较好，且再生温度可以低至40～50℃。

4 经济性分析

吸湿材料的价格是工程应用的一个重要指标，然而现有文献鲜有关于吸湿剂价格的报道。因此，对于单一的吸湿材料，如多孔材料、吸湿性盐、聚合物等，通过搜索各类化学材料供应商网站获得相应价格，如表4所示。对于多孔基质-盐和聚合物-盐复合吸湿材料的价格可通过式(1)估算。

表4 单一吸湿剂价格

式中，RMB指吸湿盐价格；指制备复合吸湿材料的盐溶液质量分数；指盐溶液与固体多孔材料的质量比，简称液固比，RMB指多孔基质的价格，CNY/kg。

余楠等的研究指出，对于多孔基质-盐复合吸湿剂，推荐液固比为6。目前未见关于聚合物-盐的最佳固液比的报道，假定聚合物-盐的固液比范围为1～6，并进行相应计算。各种复合吸湿材料的价格如表5所示。

表5 复合吸湿剂价格

5 结语与展望

基于吸湿材料的吸附式空气取水技术被认为是解决全球水资源短缺问题的有效手段。吸湿剂作为空气取水的核心，对吸附式空气取水系统的取水效果起着关键作用。随着材料科学的快速发展，各类新型吸湿材料层出不穷，并在吸附式空气取水系统中得到了应用。目前，在提升吸湿材料自身的平衡吸附性能和吸附/脱附动力学性能，以及降低再生温度等研究方向已经取得了较大突破，但是为了推进吸附式空气取水技术早日实现从实验室研究到规模化工业应用，未来仍需要在以下几个方面加强研究。

（1）强吸湿性盐在高湿气候条件下容易出现过量吸湿液解，存在腐蚀吸附床的隐患。有机弱酸盐具有良好的吸附能力和低腐蚀性、低挥发性等优点，这在今后吸附式空气取水系统中也会是一种趋势。

（2）采用新型材料制备技术对多孔材料进行结构改性，提高材料吸湿性能。

（3）借鉴自然界生物的结构特性，研制仿生吸湿材料。

（4）在研发兼具高吸附和低温再生性能的空气取水用吸湿材料过程中，加强对吸湿材料的长期使用稳定性、经济成本、环保安全性、制备难度等问题的研究。