上海交大王如竹教授解读基于透过式除湿板的新湿泵概念丨CellPress对话科学家

近期，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的王如竹教授团队在Cell Press细胞出版社旗下跨学科开放获取期刊iScience上发表了题目为“A Moisture Penetrating Humidity Pump Directly Powered by One Sun Illumination”的研究论文。

该论文提出了一种基于透过式除湿板的新湿泵概念，可在一个太阳光强照射的驱动下将室内空气中的水蒸气吸附并传输到室外，达到除湿的目的。该湿泵系统结构十分简单，制造和运行的成本相对低廉，且可以直接利用太阳光辐射作为驱动源。

针对这项研究，Cell Press细胞出版社邀请到了论文作者王如竹教授为大家进行解读。

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建筑室内空气的湿度调节目前在诸多领域都起着至关重要的作用，如民用住宅、商用写字楼、工厂车间以及仓库等。目前，建筑能耗占全世界总能耗的40%左右，而其中约一半的能耗是用于空调系统之中。通常来说，空调系统的负荷主要分为显热负荷（制冷/制热）和潜热负荷（除湿）,而潜热负荷一般占空调系统总能耗的40%甚至更多。因此，发展高效、舒适、节能的除湿技术有着重要的意义。传统的除湿技术均是利用露点除湿的原理：即将空气冷却到露点温度以下，将空气中的水蒸气冷凝并排走，从而达到除湿的目的；然后将空气再加热到合适的温度进行送风，但该二次加热过程会大大增加系统能耗。近些年来，一些基于可再生能源或余热回收利用的除湿技术逐渐发展起来，如固体干燥剂除湿（如转轮）、溶液除湿、薄膜除湿等。但目前该类系统仍然具有系统结构复杂、体积大和设备投资成本高等缺点，而且往往需要附加热源驱动。因此，发展结构相对简单，成本相对低廉的固体除湿技术意义重大。

论文图形摘要

论文中，作者首先介绍了透湿板的概念和结构，并给出了制备所需的材料和步骤；其次，表征了板材表面形貌、水蒸气透过率以及表面温度等重要参数；其三，展示了基于透湿板设计的湿泵样机，并在模型房间内进行了除湿测试。最后，文章对该技术现阶段的不足进行了讨论，并对未来应用进行了展望。

作者专访

Cell Press：这项研究的过程是否顺利？期间是否遇到技术难点？您的团队是如何解决的？

王如竹教授：这项研究工作从最初提出概念到相关成果发表，经历了大概2年半的时间，过程并不是很顺利。在材料遴选、湿泵的结构设计等方面都曾遇到过不少的问题。比如在选择干燥剂时，我们发现常用的硅胶-吸水盐复合干燥剂具有较高的再生温度，无法满足该研究的适用场景；团队成员因此尝试验证了多种固体干燥剂，终于发现金属有机框架MIL-101(Cr)是较为适合的备选材料；为此，我们团队还在之前几乎没有材料合成经验的基础上自行学习并掌握了该材料的整个制备流程，现在我们所需的MIL-101(Cr)全部由团队成员自行制备。我们团队始终认为，每一个困难并不是妨碍我们前进的障碍，而是推动我们学习和进步的机会。

透湿板的表面形貌，金属有机框架MIL-101(Cr)的晶粒，以及不同结构透湿板的水蒸气透过率。

Cell Press：这种基于透过式除湿板的新型湿泵的适用场景是否可以具体举例说明？对于不同气候特征，地理位置是否有特殊适用条件？

王如竹教授：从这种新型湿泵的概念出发，其适用的场景可以说较为广泛。首先就是建筑上的应用：该种湿泵可以较好地与建筑材料整合，进而可以做成“除湿墙”、“除湿屋顶”等；其既可以应用在民用住宅、商用写字楼等城市建筑中，也可大批量的用于工厂车间、大型仓库等工业建筑上。

另外，如果将该湿泵进行精细化/微型化设计后，可以应用于电子仪器、设备的箱体上：比如大家的iPhone如果受潮了，一般要进行拆卸、去潮。该拆卸过程可能会二次损坏手机内部的零件和电路。假如手机的外壳上有一块微型的透过式湿泵，那么人们只需要进行一段时间的光照，手机内部的湿气便可被直接排出，省去了拆装手机的麻烦和花费。从气候和地理位置的角度来看，该湿泵是由太阳能直接驱动，因此只要不是长时间阴雨无太阳的气候和地点，该种湿泵都可以应用。

Cell Press：目前这项技术还需要在哪方面继续优化?您的团队接下来的研究计划是怎样？

王如竹教授：该技术一方面还需要继续优化结构设计。现有的结构虽然较为简单，但其传质性能相对较差，进而影响了除湿速率。如何在不牺牲隔热性能的前提下提升板材的传质能力将是该研究最重要的优化方向。另一方面，本研究偏向于概念验证，其实验条件相对理想化，与实际情况仍有区别（如光照强度的变化，空气对流影响等）；因此下一步我们将进行更多的实际工况测量以及对应的改善。

Cell Press：对于在制冷与低温工程领域的初级/年轻科研人员有何建议？是否可以根据您自身的经验与大家分享一点心得？

王如竹教授：制冷与低温工程学科领域是能源利用领域的重要方面，空调制冷消耗了近50%的电力，提高能效和利用可再生能源显得特别重要。制冷低温作为一门专业技术其应用面广泛，深入到工业生产，人民生活，医疗卫生以及军事国防等诸多领域。制冷低温在其他学科和新领域的应用往往能产生新的灵感和发现，例如低温超导，量子通信，超级计算机，低温显微镜，低温生物。

掌握本专业知识，并能服务于各行各业和各类科技领域，你就有机会获得新的发现，实现新的创造。当你视野拓宽，可以发现许多问题值得研究：全球气候变化，臭氧层破坏，土地沙漠化，低温位余热品位转化与利用，提高空调能效的革命性方案，新材料发现与非常规制冷，节能节水农业，仿生热管理方法。

经过跟踪学习国际顶尖期刊上的前沿研究，我发现在能源-水-空气交叉领域有许多前沿探索研究热点，为此2017年年底我在我本身的学科团队内选择了几位老师和博士生创建了基于能源-水-空气的ITEWA创新团队, 积极开展与材料科学的交叉研究，从材料-器件-系统多个层面做深入研究。

我们的团队关注面不断拓展，2018年8月开始逐步在顶尖期刊上发表了几篇论文， 如2018年8月在Cell Press细胞出版社旗下能源旗舰期刊Joule上发表的空气取水文献综述，2019年5月的在Joule上发表的固态制冷湿泵，2019年5月iScience上发表的太阳光驱动的透过式除湿板湿泵。根据目前研究进展，预期ITEWA创新团队2019年还有几篇新作会在综合交叉学科顶尖期刊上发表。

关于ITEWA

ITEWA （Innovative Team for Energy, Water & Air）是由王如竹教授创建并领导的前沿科学问题研究团队，聚焦于能源转换与效率、水及空气处理等领域的前沿基础科学技术问题。通过学科交叉分别从材料、器件和系统层面提出整体解决方案，从而推动相关技术领域快速地取得突破性进展。目前的研究方向包括：高效无霜空气源热泵技术、规模化太阳能空气取水技术、太阳能湿泵（空调）墙、超高储热密度蓄能技术、MOF能源材料及水合盐复合吸附剂的合成及表征技术、仿生热湿调控技术等。

已发表在Cell Press旗下期刊上的论文 （扫描图中二维码阅读论文）：

Progress and Expectation of Atmospheric Water Harvesting

A Full-Solid-State Humidity Pump for Localized Humidity Control

总而言之，我自己的体会是我们科研人员需要脚踏实地，也需要仰望星空。我们更需要付诸行动，做科研要顶天立地！

论文主要作者

通讯作者 王如竹教授

上海交通大学讲席教授，制冷与低温工程研究所所长、教育部太阳能工程研究中心主任。2017和2018年度全球高被引学者。主持成果曾获2014年度国家自然科学二等奖、2010年度国家技术发明二等奖。 由于对国际制冷学科的卓越贡献，获英国制冷学会颁发的2013年度国际制冷J&E Hall Gold Medal、中日韩三国制冷学会联合颁发的2017年度亚洲制冷学术奖Asian Academic Award、日本传热学会颁发的2018年国际热科学纪念奖Nukiyama Memorial Award，以及国际制冷学会2019年颁发的国际制冷最高奖Gustav Lorentzen Medal。

第一作者 曹毕野博士

本科就读于南京大学物理学院，硕士就读于德国慕尼黑工业大学物理学院-应用与工程物理专业，2015年进入上海交通大学制冷与低温工程研究所攻读博士学位，师从王如竹教授。现研究方向主要集中于固体干燥剂除湿、太阳能的直接利用与表面集热等。作为主要科研人员参与国家自然科学基金创新群体项目（No.51521004）,国家自然科学基金青年项目（No.51606124）,国家重点研发计划课题(No.2016YFB0601202)等研究。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下跨学科开放获取期刊iScience上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

A moisture penetrating humidity pump directly powered by one sun illumination

论文网址：

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(19)30150-6

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.05.013

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