【论文背景】
淡水资源的分布不均和化石能源的短缺是21世纪人类共同面临的危机与挑战。尤其是近几年来，全球自然灾害频发，高温、干旱等极端天气增多，发展高效节能的取水技术势在必行。现有的取水技术，包括电渗析，反渗透，膜蒸馏等，大多系统庞杂，维护困难，且强烈依赖于水源（江河湖海等），因而无法有效缓解干旱内陆地区的水资源供应问题，也不适用于野外的应急供水。在这一背景下，储藏着全球9.6%地表淡水资源的大气作为一个天然的“水库”引起了国内外学者的广泛关注。而“从空气中取水”，因其不依赖于水源、适应性广和轻便洁净等特性，被认为是解决干旱内陆地区淡水供给和应急用水的有效途径。已有的空气取水技术可分为冷凝式和吸附式，相较于已经商业化的冷凝式空气取水，吸附式空气取水能利用低品位热能实现低湿条件下的取水，因而更适用于干旱地区。然而，因其尚在发展初期，该技术也存在着具有材料成本高、稳定性差，节能优势及适用范围尚不明确等问题。
【内容简介】
近日，上海交通大学王如竹教授领衔的能源-空气-水ITEWA创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源材料领域顶级期刊Nano Energy上发表了题目为“Exergy-efficient boundary and design guidelines for atmospheric water harvesters with nano-porous sorbents”的研究性论文。该论文基于热力学定律及热力学“火用”的概念，分别计算了不同气候条件、工质和运行参数下冷凝式和吸附式空气取水技术的能耗，对比得到吸附式技术的节能优势与适用范围，同时也指出不同运行条件下，吸附式空气取水技术的材料优选、系统与参数优化准则，为该技术的进一步发展提出切实有效的方案。
【引言】
能源与水是21世纪的重要议题，发展高效节能的取水技术至关重要。在众多取水方法中，空气取水技术因其不依赖于水源、适应性广和轻便洁净等特性而引起了国内外学者的普遍关注。在科研和技术人员的共同努力下，利用蒸汽压缩式系统进行冷凝取水的技术，已经达到商业化水准。然而，在一些缺水的内陆地区，冷凝取水所需的露点温度很低，使得构造相应冷源的能耗居高不下。同时，受到水冰点的限制，冷凝取水在空气露点低于零度的地区难以适用。另一方面，吸附剂具有丰富的纳米级孔道结构，从而可在高温下富集水蒸气，有效提高空气露点，解决冷凝取水技术的困境，适应干燥地区取水的需求。近年来，已有研究针对吸附取水技术进行了大量的材料创新和可行性验证，然而，两种取水技术的能耗水平及其各自的适用边界并没有被明确划分，从而导致不同研究的测试工况和能耗评价方法难以统一。本文通过借助热力学定律和“热力学火用”的概念，建立了两种技术能耗计算方法，比较了两种技术在不同空气条件下的取水能力和能耗，得到了吸附式空气取水技术的气候适用边界，以及材料，系统和运行参数的优化设计准则。
【研究方法与结论】
空气中任一浓度的水蒸气都有其对应的相变温度，该温度被称为露点温度。在空气被冷却到露点温度以下时，其携带的水蒸气会相变为液体，冷凝式空气取水系统就是基于这一原理通过低温表面来捕集空气中的水蒸气的（图1(a)）。在低湿地区，空气的露点温度往往远低于其干球温度，甚至会低于零点，此时构造相应冷源的能耗会非常高。与之相反，由于吸附剂能够在低温下吸附低湿环境中的水蒸气，并在高温下解吸出高浓度的蒸汽，吸附式系统通过提高空气中水蒸气的浓度和露点温度，来实现常温或者略低于常温条件下的冷凝，由此降低系统能耗（图1(b)）。在这一过程中，有三个重要的温度点：即解吸温度，吸附温度和冷凝温度。从取水效果上来说，解吸温度越高越好，而吸附和冷凝温度则越低越好。然而，从能耗角度上来说，构造接近于常温的低品位冷热源所需的能耗最小。
由此可知，冷凝式和吸附式空气取水所采用的冷热源温度不同，为了评估和比较两个系统的能耗，可引入“热力学火用”的概念，综合考虑热源或冷源的品位及换热量，计算构造上述冷热源所需的最小能耗（即“火用”）。
图3. (a)采用不同材料的吸附式取水技术的适用边界 (b)采用不同材料的吸附式取水技术各自的能量最优区域
通过不同系统的能耗计算与比较，得到了以下重要结论：1.只要解吸热源的温度足够高，吸附式空气取水的吸附和冷凝过程可在常温下进行。然而，在大多数情况下，采用略低于室温的冷源驱动吸附，可大大降低解吸所需热源的品位，从而减少整个系统的能耗。与此同时，在常温下冷凝就能够实现最佳的节能效果。因此，一个高效连续的吸附式空气取水系统可参照图2来设计，在主动式系统中，吸附和解吸的冷热源分别由蒸汽压缩式循环的蒸发侧和冷凝侧来提供。2.通过比较冷凝式和吸附式（采用不同吸附材料）系统的能耗，我们在空气线图上画出了吸附式系统的适用边界（图3(a)）。由图可知，对比冷凝式空气取水，采用Co2Cl2(BTDD)这种在低湿条件下阶跃的新型吸附材料的吸附式空气取水系统可在低湿（<11g/kg），中温中湿（20oC,<75%; 30oC,<45%）和高温低湿（40< span="">oC,<35%）工况下取得更高的能量利用效率。在非高温工况下（<35< span="">oC），采用传统材料（如硅胶和MCM-41这种在高相对湿度下阶跃的材料）的吸附式系统适用范围更广（20oC,<80%; 30oC,<50%），但其在沙漠区域并无优势。总的来说，除在热带和亚热带沿海地区外，使用吸附式空气取水技术的能耗普遍更低。3.在使用吸附式技术的前提下，还计算了不同吸附材料在不同工况下的取水能耗。如图3(b)所示，不同材料的吸水特性由其等温吸附曲线来表征（图3(b)左上角插图），本文所讨论的材料大多呈S型，即能够在某一特定相对压力下发生吸附或解吸。当某个材料在某一工况下的能耗小于其他材料时，将该工况标记为材料的能量最优区域，并用相应颜色标记。由图可以看到，在低相对压力下吸水/解吸的材料在高温低湿环境下具有明显的能量优势，而在高相对压力下吸水/解吸的材料则更适用于低温高湿环境下的取水。对于常见的沙漠工况，Co2Cl2(BTDD)和MIL-101是最优选择。该文基于热力学定律及热力学“火用”的概念，分别计算了不同气候条件、工质和运行参数下冷凝式和吸附式空气取水技术的能耗，对比可知，吸附式空气取水不仅可适用于干旱地区，在除热带和亚热带沿海地区外的地区，使用吸附式空气取水技术的能耗普遍更低。具体来说，对比冷凝式空气取水，采用Co2Cl2(BTDD)这种在低湿条件下阶跃的新型吸附材料的吸附式空气取水系统可在低湿，中温中湿和高温低湿工况下取得更高的能量利用效率。在非高温工况下，采用传统材料（如硅胶和MCM-41这种在高相对湿度下阶跃的材料）的吸附式系统适用范围更广，但其在沙漠区域并无优势。另外，对于吸附式空气取水来说，吸附侧和冷凝侧冷源并不必要，然而，在大多数情况下，采用略低于室温的冷源驱动吸附，可大大降低解吸所需热源的品位，从而减少整个系统的能耗。在冷凝侧引入冷源也有一定的节能效果，但相较于吸附冷源不显著。所以，在冷源有限的情况下，可优先考虑在吸附侧引入冷源。
华凌佶，上海交通大学机械与动力工程学院博士，师从王如竹教授。主要从事物理吸附剂及其相关设备、系统的热力分析、热质传递分析和数值仿真。在Joule、Nano Energy、Energy等国际期刊发表SCI论文9篇，其中第一作者5篇。
许嘉兴，上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生，师从李廷贤研究员。主要从事吸附式空气取水、太阳能储热、热管理等方面的研究，在Advanced Materials、Angewandte Chemie-International Edition、ACS Central Science、Nano Energy等国际期刊发表SCI论文10篇， EI封面论文2篇，授权/公开国家发明专利7项。荣获上海交通大学第五届研究生“学术之星”奖。
上海交通大学机械与动力工程学院讲席教授。全球高被引学者、国家基金委创新群体负责人、全国先进工作者、国家教学名师，荣获国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen奖章（2019）、英国制冷学会国际J&E Hall金牌（2013）、日本传热学会Nukiyama热科学纪念奖（2018）、亚洲制冷学术奖（2017）、国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖、国家教学成果二等奖等奖励。上海交大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，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 Material、Angewandte Chemie-International Edition、ACS Central Science、Energy Storage Materials、ACS Materials Letter、Nano Energy 等国际顶级期刊上发表系列跨学科交叉论文。 Lingji Hua, Jiaxing Xu, RuzhuWang*. Exergy-efficient boundary and design guidelines for atmospheric water harvesters with nano-porous sorbents. Nano Energy, Volume 85, July 2021, 105977.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521002354