工程研究中心ITEWA团队《自然·通讯》：基于批处理替换解吸策略的便携空气取水装置实现半干旱地区的大批量产水
近日，来自教育部太阳能发电及制冷工程研究中心（简称工程中心）主任，上海交通大学机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所王如竹教授领衔的“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA (Innovation Team for Energy, Water & Air)在Nature Communications《自然·通讯》上发表了题为“Exceptional Water Production Yield Enabled by Batch-process Portable Water Harvester in Semi-arid Climate”的研究论文（第一作者山訸是上海交通大学博士研究生）。
目前空气取水系统取水量较低，仍然难以大规模、商业化利用，这主要是由于材料性能低下，系统热设计粗糙以及操作模式未经优化导致的。该论文通过分析目前空气取水系统的优缺点及适用条件，从操作模式的角度弥合了吸附解吸动力学的差距，提出了新型的“夜间批量吸附-日间逐个解吸”的批处理吸附-解吸模式。该模式一方面充分利用了由于昼夜温差带来的夜间高相对湿度，避免了日间低湿度下低效的吸附过程，另一方面可以充分利用解吸前期的高解吸速率，实现全天的高效产水过程。最终，凭借于高性能吸附剂（15-60% RH下1.18 g/g—2.93 g/g）以及取水系统的精心传热传质设计，应用该模式的便携式空气取水系统（3.2 kg，5.6 L），实现了中国兰州半干旱气候下（日间最低相对湿度15%）单日311.69 g的高取水量。
【研究背景】
据世界卫生组织统计，当前全球约有22亿人无法获得安全的饮用水。淡水资源稀缺正逐渐成为人类社会可持续发展的威胁之一，如何获得安全的饮用水仍然是一项全球挑战。由于大气中水蒸气的广泛分布和巨大储藏量，从空气中捕捉水蒸气并转换为液态饮用水的空气取水方法表现出巨大潜力。尤其对于吸附式空气取水技术，其具有广泛的气候适应性，非常适用于低湿度的干旱/半干旱地区以及陆地离网等场景。近三年来，空气取水技术在材料设计和系统集成方面两个方面都不断发展，然而，大部分系统的总取水量仍很低，通常限制在克级，限制了其大规模以及市场化应用。低产水量主要是由于系统设计上的优化不足以及取水模式低效造成的，因此为了实现空气取水性能的突破 ，亟待在系统设计和操作模式方面进行进一步研究。
【材料设计】
图1 吸附剂Li-SHC的表征与含盐量优化
活性炭纤维毡可提供大量的微孔和纤维交织产生的强毛细作用（图1b-c），已经被证明是优秀的承载吸湿盐的基质。通过简便的浸渍方法，制作了不同含盐量的氯化锂吸湿复合吸附剂（Li-SHC），并利用氯化锂盐-水的热力学相图性质和线性驱动动力学模型进行平衡吸附量和吸附动力学的预测和优化（图2a），选择了适合实际吸附工况下的最佳含盐量。最终，通过吸湿盐的化学吸附-潮解-盐溶液吸收过程，Li-SHC吸附剂在实验室条件下实现了12小时内1.18 g/g-2.93 g/g (15-60% RH)的高水蒸气吸附量（图2b-c）。
图2 吸附剂Li-SHC的吸附-解吸性能表征
在实际的空气取水过程中，评估吸附剂性能的最关键参数之一是其吸附和解吸动力学，这决定了实际情况下的单日吸附量，然而上述吸附数据通常在理想恒温恒湿环境中使用毫克级样品和快速气流测得（图2b）。尽管这种类似于热重分析的方法可以通过控制变量实现吸附剂性能的比较和分析，但该结果通常不能反映实际气候下取水装置中的实际吸附状态，因为放大到克和千克级别的吸附剂的性能很容易受到水蒸气扩散和传热速率的限制。因此，为了更准确地评估实际半干旱气候中的实际吸附性能，选择了一种大片吸附剂（250 x 250 x 2 mm）在典型的半干旱气候下进行测试（图2e）。该情况下吸附动力学相较于理想的实验室条件下较慢，但也实现了2.37 g/g（65% RH）的循环放水量。此外，通过比较吸附和解吸的吸附动力学，发现水捕获和释放速率之间存在显著的不匹配。吸附的最大质量变化仅为解吸过程的最大变化量的1/10，这说明解吸速率远高于吸附速率（图2f）。
因此，如果将吸附剂应用于实际设备，则需要特别考虑和解决两个不匹配，以追求最大产水量：1.实际块状吸附剂相对于毫克级测试样品的吸附性能的降低；2.缓慢的吸附速率和快速的解吸速率的不匹配。
【系统优化】
图3 取水装置的设计及其结构、参数优化
设计了便携式的取水装置（图3a-b），底部采用反馈电加热控温装置实现解吸，顶部实现水滴的冷凝与流动，并通过采用隔热栅格实现内部气流的控制（图3c-f），以实现更高的解吸和冷凝效率。同时，在兰州实际的半干旱工况下进行了参数优化（图3g），探究了不同解吸时间（1-3小时），不同吸附剂层数（1-2层）下的单位能耗及单位时间取水量（mL h m-2, mL kWh m-2），为后续批处理模式做实验参考。
【模式创新】
图4 常用空气取水操作模式（a）昼夜单循环；（b）连续式；（c）提出的批处理替换模式
目前，大多数研究所报道的吸附空气取水装置的操作模式都非常简单，即每日进行单一的夜间吸附和日间解吸过程（图4a）。然而，由于上述所证明的吸附和解吸动力学之间的明显不匹配，会导致日间时间的浪费以及太阳能的低效利用，并也因此降低了每日的产水量。许多研究试图通过半连续或连续的吸附-解吸循环来解决这种不匹配（图4b），但这又意味着水分捕获循环必须在白天低相对湿度环境下进行。然而，由于半干旱气候中的昼夜温差变化，夜间出现的高相对湿度更有利于吸附过程。
为了弥补这一差距，作者提出了一种独特的操作策略：多片吸附剂在夜间同时暴露于高相对湿度的环境中以吸收水蒸气，然后在白天交替批处理以释放水，以充分利用夜间高相对湿度环境，同时在白天全天保持高解吸率（图4c、图5a）。在实际设备操作中，这种操作策略要求吸湿材料和取水装置的便携性、适应性和稳定性。所采用的Li-SHC易于扩大化生产，成本低且质量轻，稳定性好，适合多块吸附剂同时制作与携带，可快速部署到实际应用中，而便携式和廉价的空气取水装置可以很容易地拆卸、重新组装和由单人携带。这些特点都使得该模式得部署以及其单日循环中实现高产水量成为可能。
【实地测试与前景预测】
图5 采用批处理模式的空气取水装置在中国兰州半干旱气候下的性能
便携式空气取水装置于2021年9月在半干旱气候（中国甘肃兰州）进行实际测试，当地实验测试时记录到的最低相对湿度为15%（图5b）。八块吸附剂在夜间放置于户外进行吸附，之后在白天批处理交替进行解吸。最终单日的取水量为311.69 g (311.69/day)，能耗为0.695 kWh（448.5mL/kWh），突破了百克级的单日产水量（图5d-e）。从整个装置水平来看，设备先进的热设计、避免使用的复杂的辅助设备（如风扇、冷凝器），以及充分利用解吸时间的批处理策略都共同贡献于如此高的取水量。最终，体积为5.6升、重量为3.2千克的便携式空气取水装置实现了超越百毫升的单日取水量，显示了整个装置在重量、空间和取水量方面的明显优势。
在连续六日模拟兰州春秋季节、冬季以及夏季工况下的循环稳定性测试中，该空气取水装置实现了稳定的取水量，平均取水量分别约为340 mL（春秋季节15 oC, 65% RH）、280 mL（冬季5 oC, 50% RH）、425 mL（夏季20 oC, 75% RH）（图6）。
图6 取水装置在全年不同季节模拟气候下的连续实验取水量
为了全面评估产水潜力，作者选择了全球五种典型气候地区（干旱、半干旱和潮湿气候），保守估计了每个气候下的产水量。产水量受到环境相对湿度的显著影响，在英国伯明翰的湿润气候下可以实现超过1 L/day的取水量，而在撒哈拉沙漠的干燥季节每日产水量仅约150 mL（图7a）。同时，预测表明除青藏高原、北非等地区外，在大多数地区，取水装置的产水潜力超过350毫升/天（图7b）。
图7 空气取水装置性能预测
【总结】
吸附式空气取水技术是近年来兴起的在低湿度环境中获取饮用水的新颖技术，对于干旱地区、离网地区和紧急条件下获取饮用水具有重要的研究意义和应用价值。目前吸附式空气取水系统的产水量仍然较低，这主要是由于低下的材料性能、粗糙的系统热设计以及未经优化的工作模式所导致，为了解决上述问题，上海交通大学王如竹教授领衔的ITEWA团队开发了高性能盐吸湿吸附剂，并设计了具有传热性能优化的便携式空气取水系统，同时利用操作模式创新弥合了吸附解吸动力学的差距，实现了高湿度集水、连续高速释放水的功能。在中国兰州的实际半干旱气候（日间最低湿度15% RH）下，实现了超越一百克每天的取水量，达到311.69 g/day。该工作有望为下一代空气取水系统提供从材料、器件设计到模式创新三方面的思路。
第一作者-山訸
上海交通大学机械与动力工程学院博士生，师从王如竹教授。研究兴趣为用于空气取水、除湿及储热的吸附材料与系统的开发。
通讯作者-王如竹
上海交通大学讲席教授，制冷与低温工程研究所所长，教育部太阳能发电及制冷工程研究中心主任。主要研究制冷空调与能源利用，吸附式空气取水系统，绿色建筑能源系统，节能与储能。获国家自然科学二等奖和国家技术发明二等奖等奖励，荣获国际制冷学会Gustav Lorentzen Medal、日本传热学会Nukiyama Memorial Award、国际能源署Peter Ritter von Rittinger International Heat Pump Award等6项国际学术奖励。任Energy deputy editor-in-chief, International Journal of Refrigeration地区主编。
上海交通大学ITEWA交叉学科创新团队
（Innovative Team for Energy, Water& Air）
王如竹教授于2018年创建了ITEWA交叉学科创新团队(Innovative Team for Energy, Water& Air)，致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Matter、Nano Energy、Energy Storage Materials等国际知名期刊上发表系列跨学科交叉论文。