吸附式空气取水系统现状与优化设计研究进展*

李胤凝， 余琼粉,2， 李明,2， 湛丹亚，朱蓉， 李爱民， 陈杰， 王云峰,2

(1.云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650500；2.云南省高校太阳能供热与制冷重点实验室，云南 昆明 650500)

研究表明，2025年世界人口的三分之二(约40亿)将面临缺水的压力，其中19亿人的生活极度缺水[1].大气中的水通常有三种基本类型[2]：漂浮在天空中的云、靠近陆地的雾和空气中的水蒸气，对应的从大气中获取淡水的三种主要方法为雨水收集、冷凝结露法和吸附式空气取水[3]；由于降雨的不可控性，且干旱地区空气湿度低降水极少，人工降雨又需要昂贵的费用和大量的能源消耗，因此雨水收集法无法在干旱地区使用；对于空气湿度较低的地区，空气露点温度较低限制了冷凝结露法的使用；雾只在少部分区域内有限的天数出现.相比之下，吸附式空气取水系统不受环境和区域的限制，尤其在农业上为温室大棚供水的同时，利用吸附解吸过程的热量传递还可调节室内温度，必要时还能回收温室内的多余水蒸气；同时其可以很容易与可再生资源(如太阳能)进行结合，满足各种需求[4].

1 吸附式空气取水概述

吸附式空气取水的本质为水蒸气的吸附—解吸—冷凝过程，如图1所示[5].先将吸附剂暴露在空气中，利用吸附剂的亲水性捕获水分，随后封闭系统通过阳光或其他热源加热吸附剂，随着温度的升高吸附剂中的水开始解吸；在冷凝器中水蒸气与低于露点温度的冷源进行换热，水蒸气液化形成水滴，最终由于重力作用离开冷凝器进入储水罐.

吸附剂是吸附式空气取水系统的重要组成材料，常用的吸附剂主要分为物理吸附剂、化学吸附剂、聚合物吸附剂和复合吸附剂四类.物理吸附剂主要有硅胶、沸石、活性炭和活性碳纤维(Activated Carbon Fiber，ACF)；硅胶和沸石为颗粒状，化学性质稳定，但都存在吸附能力较差且导热性不佳的问题；ACF具有比颗粒状活性炭更大的吸附容量和更快的吸附动力学性能，但吸附量较小.吸湿性盐作为主要的化学吸附剂，通过水合反应吸附水分子，吸附能力较强，但易发生三相吸附而潮解、泄漏，无法保持固体形态.常用的聚合物吸附剂有金属有机骨架化合物(Metal Organic Framework，MOF)和水凝胶；MOF材料即使在低于20%的相对湿度下也具有较强的吸附能力，吸附容量大、比表面积高，但吸附稳定性差和价格过高制约了其大规模应用；水凝胶吸水能力卓越，而且具有支撑和固定作用，能够兼容吸湿性盐及光-热转换能力强、导热性好的材料形成复合吸附剂，但水凝胶的吸附动力学较慢.复合吸附材料主要是通过将吸湿性盐与其他材料进行复合，以改善吸湿性盐的传热、传质和盐泄漏等问题，但复合吸附剂上过高的盐含量或者相对湿度较高时仍有盐泄漏的风险.

图1 吸附式空气取水工作流程[5]

2 吸附式空气取水系统

2.1 系统性能评价指标

能够实际应用的空气取水系统必须满足五个主要标准：高效、成本低、可扩展、应用领域广泛和能够常年稳定运行[6]，所以首先要制定空气取水系统中涉及的性能指标对系统进行评估，进而整体评价系统的效率和商用化的可能性.空气取水技术主要采用三个指标来评估系统性能[7]：每单位质量水所需能耗(SEC)、单位吸附剂额定取水量(SWP)、吸附剂的水分回收率(RR).

2.2 系统优化方法分类

为了提高吸附式空气取水系统整体性能，对系统的优化主要集中在吸附剂材料、吸附床结构及系统整体结构三个方面.

2.2.1 吸附材料优化

在吸附材料的改进方面，国内外学者主要采用复合的方法，实现了吸附材料循环吸附量、吸附速率、解吸速率及光-热转换能力的提升，并在一定程度上防止盐泄漏.

Ejeian等人[8]在复合ACF和LiCl[9]的基础上，从提升吸附能力和防止泄漏方面[10]进行了改进.先负载10wt%的MgSO4再负载饱和LiCl溶液得到一种二元盐复合材料，在20 ℃、70%RH下可以达到2.29 g水/g吸附剂的吸附量.在德黑兰建立取水系统进行试验，夜间吸附过程在RH<35%的条件下持续进行10 h，白天吸附剂解吸时装置接收的太阳辐射总量为46.7 kJ，系统共产出2.2 mL水，日产水量可达0.92 g水/g吸附剂.

MOFs材料具有多孔、大比表面积和多金属位点等诸多性能.鉴于锆基MOFs(MOF-801)在较低的相对湿度环境下吸附性能良好、化学性质稳定、循环吸脱附稳定和易回收利用等优点，是较早应用于空气取水系统的吸附材料之一.为改善MOF-801在红外区和近红外区的低光吸收率、低热导率[11]和高热容量[12]的不足，Fathieh等人[13]将MOF-801与33%质量的无孔石墨混合获得复合吸附材料MOF-801/G，以增强其热物性[14]和光谱吸收性能，该复合材料同时具备了解吸温度低、循环稳定性良好和低相对湿度下较高吸附容量的优势.

Li等人[15]采用水凝胶固定吸湿性盐，并掺杂具有优异光吸收特性和光-热转换效率的碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNT)作为光-热转换材料，组成复合吸附剂聚丙烯酰胺(PAM)-CNT-CaCl2水凝胶来改善产水速率，在26 ℃、60%～70%RH下17 h吸附了37 g水，经2.5 h光照解吸收集到20 g水，单个取水循环取得0.57 g水/g吸附剂的产水量.

Yao等人[16]实验使用了基于多孔聚丙烯酸钠(PAAS)/石墨烯骨架(氧化石墨烯GO)合成材料(PGF).PGF的微孔结构为水分提供了有效的传质通道和更大的接触面积，而PAAS的含氧官能团可以通过氢键自发捕获水分子.实验发现PAAS与GO的质量比约为1∶4时能够实现高效取水，在100%和15%RH下单个取水循环分别达到5.20 g水/g吸附剂和0.14 g水/g吸附剂的超高吸水性能.

为了提升材料对温度的敏感性，Yilmaz等人[17]发明了一种具有独特自主渗水功能的吸附式空气取水系统.该系统基于一种特殊的聚合物金属有机骨架材料(PC-MOF)吸附剂，将铬基MIL-101和CaCl2加入聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)基体中制成，既继承了MIL-101(Cr)和CaCl2卓越的吸附能力，又具有温敏物质PNIPAM的亲疏水转换特性.

2.2.2 吸附床结构优化

吸附床结构优化主要目的在于增加吸附材料与水蒸气的接触面积、提高传热传质、引导水蒸气溢出并使吸附剂表面水滴快速聚集排出，可以通过改变吸附剂自身的厚度、形状以及吸附床的材料、形状等来实现.对于通过太阳辐照提供热能解吸的系统，优化的吸附床结构可以提高光吸收率.

Shi等人[18]采用高比表面积的聚乙烯醇(PVA)/聚吡咯(PPy)水凝胶吸附剂，通过优化吸附床结构实现了全天候集水的功能，并对比发现将吸附剂加工成树形结构后吸附速率最快，吸附量最高.同时，取水系统实现了通过太阳能加热解吸的水蒸气收集和雾水收集两种功能.通过实验和建模，还证明了树形结构可以最大限度地提高光吸收效率，并引导蒸气逸出，平均在太阳热通量1 kW/m2条件下实现3.64 kg/(m2·h)的解吸速率.

Kim等人[19]选用MOF-801作为吸附剂，在25 ℃、20%RH下达到吸附平衡后，对吸附剂1-5 mm厚度的解吸效率进行了探究.结果发现，1 mm厚度的MOF-801的吸附、解吸速率远超5 mm厚度的样本，但同时单个循环的吸附量会大幅度减少.在20%RH下，每千克MOF-801每日产水2.8 L，且不需要额外投入能源.随后他们对负载吸附剂的吸附床进行了优化[20]，将多孔泡沫铜钎焊接到铜板上作吸附剂载体，金属泡沫的多孔特性有效提高了附着在表面的吸附剂与水蒸气的接触面积，同时促进了传热.背面涂有Pyromark涂料的铜板作为太阳能吸收器，提高了太阳光的吸收率和光-热转换能力.

2.2.3 系统整体结构优化

每日多循环取水系统和连续取水系统的模型多数建立在系统结构和运行模式上的创新，使系统的日取水量得到较大的提升.

Li等人[21]制作了一种自动化的连续取水系统，如图2所示.将吸湿性盐LiCl封装在直径约300 nm的中空纳米碳球内作为吸附剂.空心碳球(HCS)具有优异的光-热转换能力，同时有效减少吸湿性盐的泄露.吸附剂在60%RH下3 h内可从空气中吸附高达其自身质量100%的水蒸气，并在1 kW/m2的阳光照射下30 min内就能迅速解吸.系统由中心旋转筒、带透明盖板的铜冷凝器和带步进电机的框架三个主要部件组成.圆桶吸附床上负载吸附剂的量为2.93 g.系统运行时，旋转筒上的吸附剂吸附从下方进入的水蒸气，旋转至上方时由太阳辐照供能进行解吸.现场实验得到的每日产水量达1.6 g水/g吸附剂.

图2 使用涂有干燥剂的旋转圆筒取水系统[21]

LaPotin等人[22]创新性地将系统由常见的单级系统改为由两个吸附层组成的双级系统，如图3(a)所示；上层吸附剂中通过阳光辐射解吸的水蒸气在与底部吸附层接触的铜表面上冷凝，冷凝潜热被回收并传导到下层吸附床中用来解吸.为了体现系统结构的优势，实验选择了一种吸附能力较低的微孔磷酸铝铁AFI型沸石(AQSOA Z01)[23].实验中两个阶段的产水量与模型预测水量如图3(b)所示.由于传热过程中的热损失，导致下层吸附剂层的产水量比预测的值低.预测该模型具有每日0.85 L/m2的产水量(20 ℃、68%RH下),但实际户外实验中每日只得到了0.77 L/m2的产水量.

(a) (b)

Nandakumar等人[24]选用了水凝胶作为吸附剂，并在系统结构和运行方式上做了较大的改变.取水过程将吸附阶段和解吸阶段分开进行，如图4(a)所示.吸附阶段，系统日间悬浮在海面上对海面上的水蒸气进行吸附，当玻璃板上的水凝胶吸附饱和后，替换成担载干燥水凝胶的玻璃板.解吸阶段则是将多块担载吸附饱和水凝胶的玻璃板，按一定间距垂直插入密封玻璃箱中由太阳辐照供热进行解吸，如图4(b)所示.由于水凝胶的解吸温度低至55 ℃，AM1.5下解吸出的水蒸气遇到玻璃箱的侧壁冷凝成水滴.模拟海面上普适的湿度条件，系统每日可用1 kg的水凝胶收集约10 L的水.每个循环只进行约15 min的吸附阶段和5 min的解吸阶段，每日最高产水量可超过14 L/kg水凝胶.

(a) (b)

3 系统设计关键点

3.1 传热性能

基于吸附的空气取水系统的吸附床加热可以由换热器或太阳辐照完成.目前的取水系统中，热量主要是通过吸附床输入到系统中.吸附床上热量分布不均会影响解吸效率，进而延长取水循环时间.采取适当措施改善吸附床的传热问题，有利于缩短取水循环时间从而提高产水量.一种方法是使用肋片结构[8]或导热性好的材料(如多孔泡沫铜[20])作吸附床的基体；另一种方法是增加吸附剂的光热性能[25]，通过在吸附剂中加入光热材料，使吸附剂直接接收太阳辐照进行光-热转换，减少了热量传递过程中的不均匀和损失等问题,但这时吸附剂的导热系数将变得尤为重要，吸附剂需要将上层转换的热能传递到吸附剂下层.

3.2 传质能力

吸附床内的传质问题关键在于吸附剂的形式.不考虑吸附剂自身动力学，床层内较理想的传质取决于水的有效扩散率、床层导热系数和吸附剂结构[26].在颗粒状的吸附剂中，如硅胶或沸石，颗粒越大，传质效果越好；颗粒越细，传热效果越好.对于可涂敷在材料表面的粉状吸附剂(如MOFs)，吸附水蒸气后外层膨胀的吸附层限制了向内层传质，可以使用宏观多孔材料如金属泡沫或碳纤维作吸附床基质.吸湿性盐的复合材料的优点在于吸湿盐可以高效地将吸附的水分子转移到内层，又能将盐固定，防止吸湿性盐溶解在吸附的水中.

吸附床到冷凝器的传质是通过水蒸气的浓度梯度进行的.实验表明，即使冷源足够的情况下，小型系统中传质速率依然低于解吸速率[8].通常每日单循环取水系统解吸时间都较长，可以弥补传质缓慢的问题，但在每日多循环取水系统，尤其是连续运行的取水系统中，传质效率则直接影响循环时间，间接影响了日产水量.

3.3 吸附剂的选择

为基于吸附的空气取水系统寻找合适的吸附剂是重要的研究工作之一.对于吸附式空气取水系统，吸附剂应该具有吸附量大、解吸温度和能耗低、动力学快、化学稳定性好、循环稳定性好和成本低等特点[27-28].然而，每种吸附剂都适用于某些特定环境条件[29]，所以在吸附剂的选择依据上就存在优先顺序.当地的气候条件是选择吸附剂的主要影响因素之一，不同的温度、湿度需要选择不同吸附等温线的吸附材料.与此同时也要评估稳定性、吸附动力学和吸附剂的成本等问题，但此类问题优先级低于吸附等温线选择条件.一般情况下，相同地区在不同季节的温、湿度都在变化，选择吸附剂时就要面临是以一年中某天的最小供水量为设计标准，还是以最大的年产量作为设计标准的问题.

同时，吸附床填充的吸附剂量也要考虑.吸附剂的量分为吸附剂总质量和单位面积吸附剂的量.当吸附剂的总量过高时，会出现吸附剂解吸时间长或解吸不充分的情况，进而使日产水量下降[8].而单位面积的吸附剂量，即吸附剂厚度的不同会直接影响传质、传热[19].

3.4 冷凝热源

最常用作冷凝热源的就是环境空气，水蒸气冷凝所释放的冷凝热可以通过翅片等结构传递给空气.解吸速度受限于冷凝器的冷凝效率，水蒸气冷凝速度越快，则空气中的水蒸气分压力越低，越利于水蒸气的解吸.而水蒸气的冷凝速率则取决于换热速率，水蒸气温度与冷凝器表面温差越大，热量传递速度越快.提高解吸温度和降低冷凝器温度是两种有效改善冷凝器传热的方法.相比于提高解吸温度，使用太阳能驱动的帕尔贴模块[30]、相变材料储存夜间冷量[8]、辐射冷却[31]和使用土壤作为冷源[32-33]等方法，都可以低能耗、高效率地辅助降低冷凝器温度，提高换热效率.冷凝器的温度越低，则取水循环时间越短，系统的产水效率就会越高[34].

3.5 滴状凝结

水蒸气在冷凝器内液化，不断在冷凝器内表面上形成小水珠，这些形成的水珠起到了隔热层的作用，降低了传热效率.因此，亲水性的表面就不是很合适的选择.此外，存在非冷凝性气体的混合蒸气冷凝特性与纯蒸气不同.空气的存在减少了冷凝器上成核位置的数量，在液滴表面产生的扩散阻力降低了液滴的生长速率.在这种情况下，研究发现亲/疏水结合的杂化表面的效果最优，既为液滴的成核和生长提供了位置和条件，又不会使液滴生长过大，在冷凝器内表面停留时间过长，显著提高了冷凝速度.利用毛细管压力现象可以减小液滴的临界直径，提高液滴去除率[35].具有方向性的光滑纹理表面也能提高液滴成核率和去除率[36-37].

4 总结与展望

吸附式空气取水系统可以使用不同类型的吸附剂以适应不同环境的产水需求，在解决干旱地区缺水、农业灌溉、灾后供水等问题方面都具有竞争力.在系统中引入一些低品位的能源辅助解吸和冷凝过程，将极大地减少能源的消耗，既能提高效率又符合国家的发展战略.当然，系统在实际应用上还有很多问题待解决，例如产出水是否能达到饮用标准，水中杂质是否能去除干净；由于吸附剂的成本普遍较高，产出一升水的单价是否能够承受；系统所占空间大小是否影响运输和存放、设备的操作是否需要专业人员完成等；这些同样是要面临的考验.随着技术的不断发展，空气取水将成为解决世界缺水难题的一种主要方式.