上海交大ITEWA团队Matter Preview：被动式快速循环空气水收集

近日，上海交通大学王如竹教授领衔的“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）在Matter上发表了题为“Passive rapid-cycling atmospheric water generator”的Preview文章。文章从实现被动式高效大气水收集的目标出发，结合吸附基空气取水领域吸附材料研发的最新进展，分析了吸附剂、传热传质、冷凝等决定最终取水容量的关键因素，提出了下一代被动式快速循环空气水收集在材料和工程设计方面的机遇和挑战。该文第一作者是香承杰博士，通讯作者为王如竹教授。

【背景】

水资源短缺影响着全球40亿人的生产生活。空气中蕴含着大量的水，这部分水分以水蒸气和小液滴的形式存在，其含量约为12,900 立方千米，是全球河流总水量的六倍。空气取水—通过捕捉空气中的水蒸气进而凝结成液态可饮用水，已成为干旱地区以及偏远离网地区缓解水资源危机的重要途径。受沙漠甲虫饮水的启发，使用功能化表面集雾的实践由来已久，但受限于严苛的地理依赖和有限的取水量，该技术尚未进入实际应用。相比之下，用吸附剂从大气中提取水分是相对容易的。而传统的吸附材料(如沸石、硅胶、CaCl₂等)由于其吸附容量低或再生能耗高，无法满足空气取水需求。金属-有机框架(MOFs)即使在相对湿度(RH)较低的环境(如沙漠)也可以提取大气水，以产生太阳能驱动的淡水，这重新点燃了研究人员对吸附式大气水收集(AWH)的兴趣。Lord等人在Nature (Nature 598, 611-617.)上报道了太阳能被动大气集水(PAWH)的潜力，研究结果表明，PAWH可为约10亿人提供饮用水。

【核心内容】

1.PAWH吸附剂性能三大指标

AWH的性能在很大程度上取决于吸附剂的性质，特别是平衡吸附量、吸附-解吸动力学和再生耗能需求。当前空气取水领域的研究主要聚焦于吸附剂的平衡吸水量，但仍远低于预期。另外，追求较高吸附容量的同时，忽略了吸附-解吸动力学的重要性。单次循环很容易达到吸附容量瓶颈，且太阳能利用效率低。因此，亟需设计一个每天可以多次循环回收的系统，以最大限度地提高产水效益。在这种情况下，吸附剂不一定达到其最大吸附容量，每个循环都有一个与吸附动力学成正比的最佳值。显然，快速循环意味着大的名义容量。除了饮用水的获取，AWH也有望应用于吸附除湿空调和电子设备的热管理。所有这些都需要具有快速吸附-解吸动力学的吸附剂。同时，再生温度对AWH也有根本性的影响，因为更高的解吸温度需要更长的加热和随后的冷却时间，这限制了AWH设备每天的循环次数，并可能增加每个循环的能耗。同时要注意的是，再生温度过高会导致挥发性物质溢出，污染水体。

2.PAWH中需要平衡的五个要素

在PAWH研究中需要考虑水分与吸附剂间的作用强度、孔隙率、孔结构、辅助设施以及亲疏水性这五个要素。具体来说：

（1）对于吸附剂材料来说，材料与水分子之间较强的相互作用有利于迅速地吸湿；但同时，这种相互作用又不能太强，以使吸附剂能以更少的能量快速再生。

（2）高孔隙率有利于增加吸附剂的吸附位点；但会降低吸附剂的热导率，增加界面热阻，从而阻碍解吸。

（3）孔体积越大，可容纳的水就越多；但由于毛细凝聚现象，解吸需要更高的温度，即“S”型滞后。此外，多孔吸附剂孔隙的亲水性有利于水渗透到孔隙中，但可能会阻碍渗透水在孔隙内的扩散，从而减慢整体吸水速率。

（4）在器件设计上，需要注意的是，传统AWH中额外的加热或冷却装置可以加速解吸和冷凝，但同时也大大增加了设备的重量，降低了AWH的质量容量。

（5）亲水性冷凝表面由于其较低的成核能量阈值，在水蒸气凝结过程中可以促进液滴的成核，但这种增益随即被液滴分离的困难所抵消。超疏水表面有利于凝结液滴的脱落，但以降低成核密度为代价，这是集水中的另一个关键限制。

因此，在PAWH设计中需要平衡考虑这五个要素，做到刚柔并济，以求最大的取水量。

图：高效被动快速循环大气水收集器件的设计要素。

3.快速循环吸附材料新进展

南京大学朱嘉教授团队在Nature Nanotechnology上报道了一种MOF衍生的纳米多孔碳，具有快速吸附-解吸动力学和优异的光热性能。该纳米多孔碳采用无氧MOF ([Cu(4,4′-bipy)2Cl2]n)作为前驱体，以防高温热解过程中的氧化。由于前驱体中N(N:C = 1:5)含量较高，热解后形成的吸附位点高达40%。通过蒸汽选择性刻蚀，使纳米多孔碳的孔径由0.59nm扩大到1nm。高浓度的吸附位点和大的孔隙容量为高效捕水奠定了基础。在一个太阳(AM1.5)的光照下，吸附饱和的纳米多孔碳的温度在2 min内迅速升高至50°C, 10 min后稳定在62°C，完全满足吸附水的原位解吸要求。在实验测量中，在40min内就可达到其平衡吸附容量的90%，并在10min内释放99%的吸附水。一个吸附-解吸循环可以在1小时内完成。这种快速的吸附-解吸动力学得益于纳米多孔碳精确的孔结构和优良的光热性能。该PAWH的优点是纳米多孔碳既是吸附剂又是光热层，消除了传统方法中太阳能光热材料通过传热介质向吸附剂传热的复杂过程，避免了界面热阻造成的热损失。热能的有效利用减少了吸附水解吸所需的时间，这反过来又减少了水蒸气凝结的时间。此外，碳材料具有良好的稳定性，在使用过程中不会泄漏杂质。

同期，美国德州大学奥斯汀分校余桂华教授课题组在Nature Communications上报道了一种具有快速吸附-解吸动力学的超吸湿聚合物薄膜(SHPFs)。SHPFs以魔芋葡甘聚糖(KGM)和羟丙基纤维素(HPC)为杂化聚合物基质，均匀分散吸湿盐LiCl，在15% RH和30% RH下，吸水率分别为0.64和0.96 g g^-1。KGM提供了一种分层多孔结构，扩展了吸附剂-空气界面，同时为水运提供了一个快速通道。热响应型HPC可以控制聚合物链与水分子的相互作用，使其在10 min内释放被吸附的水，同时有效抑制盐颗粒在SHPFs中的聚集，保证了吸附-解吸循环的稳定性。采用电力辅助加热和冷却，每天可实现14-24次吸附-解吸循环，相当于标称容量为5.8-13.3 L kg⁻¹。

4.其他工程设计关键问题

尽管通过材料设计可以实现快速吸附解吸循环，但是要想获得最终的高取水量，还需与之匹配的热工设计。影响PAWH日产水量的因素还包括吸附过程的传热传质、解吸耗能、解吸及冷凝过程中的各种能量损失以及冷凝潜热的消散。系统整体的传热传质性能影响吸附材料本身的吸附解吸性能发挥，并最终决定了多循环系统的日循环次数和日产水量。为了充分发挥PAWH的潜力，系统设计至关重要，必须综合考虑吸附剂、传热传质、装置组成和操作策略。

5.总结与展望

未来对AWH的研究不应局限于吸附剂的最大吸附量提升，而应更多地关注吸附-解吸动力学。我们需要关注如何实现从大气空气中吸水、太阳能热驱动解吸和高效冷凝的多次循环。在PAWH系统的设计中，必须在几个耦合对之间取得平衡：吸附-解吸动力学和再生能耗，额外的加热/冷却设施和单位质量取水量，以及传热和传质。

第一作者：香承杰博士，上海交通大学机械与动力工程学院博士后，师从王如竹教授。主要从事基于吸附的空气水收集、电子设备高效热管理等方面的研究。曾获2020年重庆市优秀博士学位论文奖。主持国家自然科学基金青年项目、博士后特别资助项目、博士后面上项目。研究成果发表于Nano Energy、Matter、JPCC等期刊。

合作作者：邓芳芳，上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生，师从王如竹教授，本科毕业于华中科技大学能源与动力工程学院。主要从事吸附式空气取水，太阳能热利用等方面的研究。研究成果发表在Nano Energy、JMCA等期刊上。

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。

【ITEWA团队简介】

上海交通大学ITEWA交叉学科创新团队（Innovative Team for Energy, Water& Air）创建于2018年，该团队致力于解决能源、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Chemical Society Reviews、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Angewandte Chemie-International Edition、Matter、ACS Central Science、ACS Energy Letters、Nature Communications等高水平期刊上发表了系列论文。

【原文链接】

Xiang, C., Deng, F., and Wang, R. (2022). Passive rapid-cycling atmospheric water generator. Matter 5, 2487-2490.

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.032.