吸附式空氣取水系統現狀與優化設計研究進展*

李胤凝， 余瓊粉,2， 李明,2， 湛丹亞，朱蓉， 李愛民， 陳杰， 王云峰,2

(1.云南師范大學 太陽能研究所，云南 昆明 650500；2.云南省高校太陽能供熱與制冷重點實驗室，云南 昆明 650500)

研究表明，2025年世界人口的三分之二(約40億)將面臨缺水的壓力，其中19億人的生活極度缺水[1].大氣中的水通常有三種基本類型[2]：漂浮在天空中的云、靠近陸地的霧和空氣中的水蒸氣，對應的從大氣中獲取淡水的三種主要方法為雨水收集、冷凝結露法和吸附式空氣取水[3]；由于降雨的不可控性，且干旱地區空氣濕度低降水極少，人工降雨又需要昂貴的費用和大量的能源消耗，因此雨水收集法無法在干旱地區使用；對于空氣濕度較低的地區，空氣露點溫度較低限制了冷凝結露法的使用；霧只在少部分區域內有限的天數出現.相比之下，吸附式空氣取水系統不受環境和區域的限制，尤其在農業上為溫室大棚供水的同時，利用吸附解吸過程的熱量傳遞還可調節室內溫度，必要時還能回收溫室內的多余水蒸氣；同時其可以很容易與可再生資源(如太陽能)進行結合，滿足各種需求[4].

1 吸附式空氣取水概述

吸附式空氣取水的本質為水蒸氣的吸附—解吸—冷凝過程，如圖1所示[5].先將吸附劑暴露在空氣中，利用吸附劑的親水性捕獲水分，隨后封閉系統通過陽光或其他熱源加熱吸附劑，隨著溫度的升高吸附劑中的水開始解吸；在冷凝器中水蒸氣與低于露點溫度的冷源進行換熱，水蒸氣液化形成水滴，最終由于重力作用離開冷凝器進入儲水罐.

吸附劑是吸附式空氣取水系統的重要組成材料，常用的吸附劑主要分為物理吸附劑、化學吸附劑、聚合物吸附劑和復合吸附劑四類.物理吸附劑主要有硅膠、沸石、活性炭和活性碳纖維(Activated Carbon Fiber，ACF)；硅膠和沸石為顆粒狀，化學性質穩定，但都存在吸附能力較差且導熱性不佳的問題；ACF具有比顆粒狀活性炭更大的吸附容量和更快的吸附動力學性能，但吸附量較小.吸濕性鹽作為主要的化學吸附劑，通過水合反應吸附水分子，吸附能力較強，但易發生三相吸附而潮解、泄漏，無法保持固體形態.常用的聚合物吸附劑有金屬有機骨架化合物(Metal Organic Framework，MOF)和水凝膠；MOF材料即使在低于20%的相對濕度下也具有較強的吸附能力，吸附容量大、比表面積高，但吸附穩定性差和價格過高制約了其大規模應用；水凝膠吸水能力卓越，而且具有支撐和固定作用，能夠兼容吸濕性鹽及光-熱轉換能力強、導熱性好的材料形成復合吸附劑，但水凝膠的吸附動力學較慢.復合吸附材料主要是通過將吸濕性鹽與其他材料進行復合，以改善吸濕性鹽的傳熱、傳質和鹽泄漏等問題，但復合吸附劑上過高的鹽含量或者相對濕度較高時仍有鹽泄漏的風險.

圖1 吸附式空氣取水工作流程[5]

2 吸附式空氣取水系統

2.1 系統性能評價指標

能夠實際應用的空氣取水系統必須滿足五個主要標準：高效、成本低、可擴展、應用領域廣泛和能夠常年穩定運行[6]，所以首先要制定空氣取水系統中涉及的性能指標對系統進行評估，進而整體評價系統的效率和商用化的可能性.空氣取水技術主要采用三個指標來評估系統性能[7]：每單位質量水所需能耗(SEC)、單位吸附劑額定取水量(SWP)、吸附劑的水分回收率(RR).

2.2 系統優化方法分類

為了提高吸附式空氣取水系統整體性能，對系統的優化主要集中在吸附劑材料、吸附床結構及系統整體結構三個方面.

2.2.1 吸附材料優化

在吸附材料的改進方面，國內外學者主要采用復合的方法，實現了吸附材料循環吸附量、吸附速率、解吸速率及光-熱轉換能力的提升，并在一定程度上防止鹽泄漏.

Ejeian等人[8]在復合ACF和LiCl[9]的基礎上，從提升吸附能力和防止泄漏方面[10]進行了改進.先負載10wt%的MgSO4再負載飽和LiCl溶液得到一種二元鹽復合材料，在20 ℃、70%RH下可以達到2.29 g水/g吸附劑的吸附量.在德黑蘭建立取水系統進行試驗，夜間吸附過程在RH<35%的條件下持續進行10 h，白天吸附劑解吸時裝置接收的太陽輻射總量為46.7 kJ，系統共產出2.2 mL水，日產水量可達0.92 g水/g吸附劑.

MOFs材料具有多孔、大比表面積和多金屬位點等諸多性能.鑒于鋯基MOFs(MOF-801)在較低的相對濕度環境下吸附性能良好、化學性質穩定、循環吸脫附穩定和易回收利用等優點，是較早應用于空氣取水系統的吸附材料之一.為改善MOF-801在紅外區和近紅外區的低光吸收率、低熱導率[11]和高熱容量[12]的不足，Fathieh等人[13]將MOF-801與33%質量的無孔石墨混合獲得復合吸附材料MOF-801/G，以增強其熱物性[14]和光譜吸收性能，該復合材料同時具備了解吸溫度低、循環穩定性良好和低相對濕度下較高吸附容量的優勢.

Li等人[15]采用水凝膠固定吸濕性鹽，并摻雜具有優異光吸收特性和光-熱轉換效率的碳納米管(Carbon Nanotubes，CNT)作為光-熱轉換材料，組成復合吸附劑聚丙烯酰胺(PAM)-CNT-CaCl2水凝膠來改善產水速率，在26 ℃、60%～70%RH下17 h吸附了37 g水，經2.5 h光照解吸收集到20 g水，單個取水循環取得0.57 g水/g吸附劑的產水量.

Yao等人[16]實驗使用了基于多孔聚丙烯酸鈉(PAAS)/石墨烯骨架(氧化石墨烯GO)合成材料(PGF).PGF的微孔結構為水分提供了有效的傳質通道和更大的接觸面積，而PAAS的含氧官能團可以通過氫鍵自發捕獲水分子.實驗發現PAAS與GO的質量比約為1∶4時能夠實現高效取水，在100%和15%RH下單個取水循環分別達到5.20 g水/g吸附劑和0.14 g水/g吸附劑的超高吸水性能.

為了提升材料對溫度的敏感性，Yilmaz等人[17]發明了一種具有獨特自主滲水功能的吸附式空氣取水系統.該系統基于一種特殊的聚合物金屬有機骨架材料(PC-MOF)吸附劑，將鉻基MIL-101和CaCl2加入聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)基體中制成，既繼承了MIL-101(Cr)和CaCl2卓越的吸附能力，又具有溫敏物質PNIPAM的親疏水轉換特性.

2.2.2 吸附床結構優化

吸附床結構優化主要目的在于增加吸附材料與水蒸氣的接觸面積、提高傳熱傳質、引導水蒸氣溢出并使吸附劑表面水滴快速聚集排出，可以通過改變吸附劑自身的厚度、形狀以及吸附床的材料、形狀等來實現.對于通過太陽輻照提供熱能解吸的系統，優化的吸附床結構可以提高光吸收率.

Shi等人[18]采用高比表面積的聚乙烯醇(PVA)/聚吡咯(PPy)水凝膠吸附劑，通過優化吸附床結構實現了全天候集水的功能，并對比發現將吸附劑加工成樹形結構后吸附速率最快，吸附量最高.同時，取水系統實現了通過太陽能加熱解吸的水蒸氣收集和霧水收集兩種功能.通過實驗和建模，還證明了樹形結構可以最大限度地提高光吸收效率，并引導蒸氣逸出，平均在太陽熱通量1 kW/m2條件下實現3.64 kg/(m2·h)的解吸速率.

Kim等人[19]選用MOF-801作為吸附劑，在25 ℃、20%RH下達到吸附平衡后，對吸附劑1-5 mm厚度的解吸效率進行了探究.結果發現，1 mm厚度的MOF-801的吸附、解吸速率遠超5 mm厚度的樣本，但同時單個循環的吸附量會大幅度減少.在20%RH下，每千克MOF-801每日產水2.8 L，且不需要額外投入能源.隨后他們對負載吸附劑的吸附床進行了優化[20]，將多孔泡沫銅釬焊接到銅板上作吸附劑載體，金屬泡沫的多孔特性有效提高了附著在表面的吸附劑與水蒸氣的接觸面積，同時促進了傳熱.背面涂有Pyromark涂料的銅板作為太陽能吸收器，提高了太陽光的吸收率和光-熱轉換能力.

2.2.3 系統整體結構優化

每日多循環取水系統和連續取水系統的模型多數建立在系統結構和運行模式上的創新，使系統的日取水量得到較大的提升.

Li等人[21]制作了一種自動化的連續取水系統，如圖2所示.將吸濕性鹽LiCl封裝在直徑約300 nm的中空納米碳球內作為吸附劑.空心碳球(HCS)具有優異的光-熱轉換能力，同時有效減少吸濕性鹽的泄露.吸附劑在60%RH下3 h內可從空氣中吸附高達其自身質量100%的水蒸氣，并在1 kW/m2的陽光照射下30 min內就能迅速解吸.系統由中心旋轉筒、帶透明蓋板的銅冷凝器和帶步進電機的框架三個主要部件組成.圓桶吸附床上負載吸附劑的量為2.93 g.系統運行時，旋轉筒上的吸附劑吸附從下方進入的水蒸氣，旋轉至上方時由太陽輻照供能進行解吸.現場實驗得到的每日產水量達1.6 g水/g吸附劑.

圖2 使用涂有干燥劑的旋轉圓筒取水系統[21]

LaPotin等人[22]創新性地將系統由常見的單級系統改為由兩個吸附層組成的雙級系統，如圖3(a)所示；上層吸附劑中通過陽光輻射解吸的水蒸氣在與底部吸附層接觸的銅表面上冷凝，冷凝潛熱被回收并傳導到下層吸附床中用來解吸.為了體現系統結構的優勢，實驗選擇了一種吸附能力較低的微孔磷酸鋁鐵AFI型沸石(AQSOA Z01)[23].實驗中兩個階段的產水量與模型預測水量如圖3(b)所示.由于傳熱過程中的熱損失，導致下層吸附劑層的產水量比預測的值低.預測該模型具有每日0.85 L/m2的產水量(20 ℃、68%RH下),但實際戶外實驗中每日只得到了0.77 L/m2的產水量.

(a) (b)

Nandakumar等人[24]選用了水凝膠作為吸附劑，并在系統結構和運行方式上做了較大的改變.取水過程將吸附階段和解吸階段分開進行，如圖4(a)所示.吸附階段，系統日間懸浮在海面上對海面上的水蒸氣進行吸附，當玻璃板上的水凝膠吸附飽和后，替換成擔載干燥水凝膠的玻璃板.解吸階段則是將多塊擔載吸附飽和水凝膠的玻璃板，按一定間距垂直插入密封玻璃箱中由太陽輻照供熱進行解吸，如圖4(b)所示.由于水凝膠的解吸溫度低至55 ℃，AM1.5下解吸出的水蒸氣遇到玻璃箱的側壁冷凝成水滴.模擬海面上普適的濕度條件，系統每日可用1 kg的水凝膠收集約10 L的水.每個循環只進行約15 min的吸附階段和5 min的解吸階段，每日最高產水量可超過14 L/kg水凝膠.

(a) (b)

3 系統設計關鍵點

3.1 傳熱性能

基于吸附的空氣取水系統的吸附床加熱可以由換熱器或太陽輻照完成.目前的取水系統中，熱量主要是通過吸附床輸入到系統中.吸附床上熱量分布不均會影響解吸效率，進而延長取水循環時間.采取適當措施改善吸附床的傳熱問題，有利于縮短取水循環時間從而提高產水量.一種方法是使用肋片結構[8]或導熱性好的材料(如多孔泡沫銅[20])作吸附床的基體；另一種方法是增加吸附劑的光熱性能[25]，通過在吸附劑中加入光熱材料，使吸附劑直接接收太陽輻照進行光-熱轉換，減少了熱量傳遞過程中的不均勻和損失等問題,但這時吸附劑的導熱系數將變得尤為重要，吸附劑需要將上層轉換的熱能傳遞到吸附劑下層.

3.2 傳質能力

吸附床內的傳質問題關鍵在于吸附劑的形式.不考慮吸附劑自身動力學，床層內較理想的傳質取決于水的有效擴散率、床層導熱系數和吸附劑結構[26].在顆粒狀的吸附劑中，如硅膠或沸石，顆粒越大，傳質效果越好；顆粒越細，傳熱效果越好.對于可涂敷在材料表面的粉狀吸附劑(如MOFs)，吸附水蒸氣后外層膨脹的吸附層限制了向內層傳質，可以使用宏觀多孔材料如金屬泡沫或碳纖維作吸附床基質.吸濕性鹽的復合材料的優點在于吸濕鹽可以高效地將吸附的水分子轉移到內層，又能將鹽固定，防止吸濕性鹽溶解在吸附的水中.

吸附床到冷凝器的傳質是通過水蒸氣的濃度梯度進行的.實驗表明，即使冷源足夠的情況下，小型系統中傳質速率依然低于解吸速率[8].通常每日單循環取水系統解吸時間都較長，可以彌補傳質緩慢的問題，但在每日多循環取水系統，尤其是連續運行的取水系統中，傳質效率則直接影響循環時間，間接影響了日產水量.

3.3 吸附劑的選擇

為基于吸附的空氣取水系統尋找合適的吸附劑是重要的研究工作之一.對于吸附式空氣取水系統，吸附劑應該具有吸附量大、解吸溫度和能耗低、動力學快、化學穩定性好、循環穩定性好和成本低等特點[27-28].然而，每種吸附劑都適用于某些特定環境條件[29]，所以在吸附劑的選擇依據上就存在優先順序.當地的氣候條件是選擇吸附劑的主要影響因素之一，不同的溫度、濕度需要選擇不同吸附等溫線的吸附材料.與此同時也要評估穩定性、吸附動力學和吸附劑的成本等問題，但此類問題優先級低于吸附等溫線選擇條件.一般情況下，相同地區在不同季節的溫、濕度都在變化，選擇吸附劑時就要面臨是以一年中某天的最小供水量為設計標準，還是以最大的年產量作為設計標準的問題.

同時，吸附床填充的吸附劑量也要考慮.吸附劑的量分為吸附劑總質量和單位面積吸附劑的量.當吸附劑的總量過高時，會出現吸附劑解吸時間長或解吸不充分的情況，進而使日產水量下降[8].而單位面積的吸附劑量，即吸附劑厚度的不同會直接影響傳質、傳熱[19].

3.4 冷凝熱源

最常用作冷凝熱源的就是環境空氣，水蒸氣冷凝所釋放的冷凝熱可以通過翅片等結構傳遞給空氣.解吸速度受限于冷凝器的冷凝效率，水蒸氣冷凝速度越快，則空氣中的水蒸氣分壓力越低，越利于水蒸氣的解吸.而水蒸氣的冷凝速率則取決于換熱速率，水蒸氣溫度與冷凝器表面溫差越大，熱量傳遞速度越快.提高解吸溫度和降低冷凝器溫度是兩種有效改善冷凝器傳熱的方法.相比于提高解吸溫度，使用太陽能驅動的帕爾貼模塊[30]、相變材料儲存夜間冷量[8]、輻射冷卻[31]和使用土壤作為冷源[32-33]等方法，都可以低能耗、高效率地輔助降低冷凝器溫度，提高換熱效率.冷凝器的溫度越低，則取水循環時間越短，系統的產水效率就會越高[34].

3.5 滴狀凝結

水蒸氣在冷凝器內液化，不斷在冷凝器內表面上形成小水珠，這些形成的水珠起到了隔熱層的作用，降低了傳熱效率.因此，親水性的表面就不是很合適的選擇.此外，存在非冷凝性氣體的混合蒸氣冷凝特性與純蒸氣不同.空氣的存在減少了冷凝器上成核位置的數量，在液滴表面產生的擴散阻力降低了液滴的生長速率.在這種情況下，研究發現親/疏水結合的雜化表面的效果最優，既為液滴的成核和生長提供了位置和條件，又不會使液滴生長過大，在冷凝器內表面停留時間過長，顯著提高了冷凝速度.利用毛細管壓力現象可以減小液滴的臨界直徑，提高液滴去除率[35].具有方向性的光滑紋理表面也能提高液滴成核率和去除率[36-37].

4 總結與展望

吸附式空氣取水系統可以使用不同類型的吸附劑以適應不同環境的產水需求，在解決干旱地區缺水、農業灌溉、災后供水等問題方面都具有競爭力.在系統中引入一些低品位的能源輔助解吸和冷凝過程，將極大地減少能源的消耗，既能提高效率又符合國家的發展戰略.當然，系統在實際應用上還有很多問題待解決，例如產出水是否能達到飲用標準，水中雜質是否能去除干凈；由于吸附劑的成本普遍較高，產出一升水的單價是否能夠承受；系統所占空間大小是否影響運輸和存放、設備的操作是否需要專業人員完成等；這些同樣是要面臨的考驗.隨著技術的不斷發展，空氣取水將成為解決世界缺水難題的一種主要方式.