空氣取水技術(shù)研究綜述

李 強(qiáng) 郝秀淵

(1.南京市建筑安全生產(chǎn)監(jiān)督站，江蘇 南京 210001； 2.解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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空氣取水技術(shù)研究綜述

李 強(qiáng)1郝秀淵2

(1.南京市建筑安全生產(chǎn)監(jiān)督站，江蘇 南京 210001； 2.解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

闡述了空氣取水的基本原理，分別介紹了收集降水、機(jī)械壓縮法、冷凍結(jié)露法、吸附解析法、半導(dǎo)體制冷法和聚霧取水法六種常見的取水方式，指出新型復(fù)合吸附劑研制、仿生科技以及微型取水裝置的研發(fā)將是空氣取水的研究方向。

空氣取水，冷凍結(jié)露法，吸附解析法，半導(dǎo)體制冷法

水資源是人類生活和一切生產(chǎn)活動(dòng)的基礎(chǔ)，然而淡水資源缺乏是一個(gè)世界性的問題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，約12億人喝不到干凈的飲用水。我國的人均淡水資源少，不足世界人均水平的1/3，且淡水資源在時(shí)間和空間上分布也非常不均勻，總體狀況為東南部水資源豐富，西北呈現(xiàn)水資源匱乏。尤其是在高山、戈壁、荒漠等地方淡水資源更加匱乏，還有我國西沙和南沙的偏遠(yuǎn)島礁雖海水資源豐富，但基本沒有淡水資源，平時(shí)都由大陸船運(yùn)保障島上人員用水。而這種方法極容易被臺(tái)風(fēng)等惡劣氣候和軍事斗爭(zhēng)擾亂，應(yīng)考慮發(fā)展一種能夠就地保障的供水技術(shù)。

對(duì)于這些特殊地方，傳統(tǒng)的供水方式不能滿足其基本用水需求，如何另辟新徑獲得淡水資源成為目前研究的熱點(diǎn)問題?？蒲腥藛T研究發(fā)現(xiàn)可以通過從大氣中汲取水分獲得淡水資源，即為空氣取水技術(shù)。本技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是基本不受地域限制，有空氣的地方即可產(chǎn)生水。

1 空氣取水的原理

自然界中水以汽態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三種狀態(tài)并存，在太陽輻射、地球引力和氣溫作用下，大氣層成為水循環(huán)的中轉(zhuǎn)站，其三態(tài)不斷轉(zhuǎn)化。關(guān)系如圖1所示。

空氣中最大含水量由空氣溫度和大氣壓力決定，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，1 m3空氣在不同溫度和相對(duì)濕度情況時(shí)水蒸氣含量如表1所示。當(dāng)空氣溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣就會(huì)液化形成小水滴。據(jù)估計(jì)空氣中的水量達(dá)14 000 m3，是地表江河總水量的10倍之多，在大氣環(huán)流的作用下，空氣中的含濕量基本保持不變，由表1可知，即使在干燥的沙漠地區(qū)，當(dāng)白天氣溫為35 ℃，相對(duì)濕度為20%時(shí)，其含水量也超過10 g/m3，這為空氣取水可行性提供了理論依據(jù)[1]。

表1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，1 m3空氣中不同溫度和不同相對(duì)濕度下的含水量

2 空氣取水的技術(shù)方法

根據(jù)取水過程采用的方法，取水技術(shù)可以分為傳統(tǒng)方法和非傳統(tǒng)方法兩大類，如圖2所示。收集大氣降水是從大氣中獲取水資源最原始的方法，我國母親水窖工程即是蓄積來自屋頂、庭院的雨水，幫助西北山區(qū)婦女解決了基本用水問題[2]。對(duì)于偏遠(yuǎn)島礁地區(qū)，姜海波等[3]提出“珊瑚沙灘淺層暗湖雨水收集利用系統(tǒng)”，有效利用了當(dāng)?shù)刎S富的珊瑚沙資源，該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)為生態(tài)友好、成本低廉、運(yùn)行可靠、管理簡(jiǎn)單。

2.1 機(jī)械壓縮法

此法是通過機(jī)械力壓縮濕空氣獲得空氣中的水蒸氣。

1)空氣露點(diǎn)溫度隨著壓力的增大而增大[4]；

2)壓縮濕空氣時(shí)，水蒸氣的分壓力迅速提高，在二者復(fù)合作用下，使得環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于露點(diǎn)溫度，濕空氣中的水蒸氣結(jié)露冷凝。但是該系統(tǒng)耗能太高，成本太大，推廣使用價(jià)值不高。

2.2 冷凍結(jié)露法

冷凍結(jié)露法，是將空氣溫度降到露點(diǎn)溫度以下，析出水分，獲得液態(tài)水。降低空氣溫度通常有蒸氣壓縮式制冷和吸收式制冷。

1993年，Khalil[5]研究通過冷凍結(jié)露的方法從高溫高濕的空氣中提取水分。1994年法國科學(xué)家Jannot Y[6]提出了一種利用太陽能的吸附式熱泵，如圖3所示，它的原理是利用太陽能集熱器加熱吸附床內(nèi)的吸附質(zhì)，使其蒸發(fā)并在另一端冷凝，沒有太陽光照射時(shí)，吸附質(zhì)在吸附床作用下蒸發(fā)制冷，但這種方法中能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)過多，能量損失大，取水效率低。

1967年，Robert等[7]提出利用深層海水作為冷源，冷卻濕空氣得到淡水資源，其方法受到國內(nèi)外眾多專家學(xué)者關(guān)注。1981年，AK Rajvanshi[8]基于此方法設(shè)計(jì)了一個(gè)取水方案，對(duì)比海水反滲透方案，認(rèn)為此技術(shù)不具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。近來，Dawoud等[9]對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了全面分析，認(rèn)為值得推廣，并通過增加回?zé)崞?，使得方案取水效率提高，有更好的區(qū)域適應(yīng)能力。

羅繼杰等研制的“戰(zhàn)場(chǎng)生存保障空氣取水設(shè)備”[10]，在正常環(huán)境下，每日可從空氣中提取30多千克的純凈水。張傳富等[11]基于該種空氣取水設(shè)備提出了自適應(yīng)模糊PID控制技術(shù)來提高取水設(shè)備的出水率，使該設(shè)備制取的飲用水保持相對(duì)穩(wěn)定。

2.3 吸附解析法

吸附解析法是利用固體吸附劑吸附濕空氣中的水分，加熱吸附劑時(shí)水分脫附實(shí)現(xiàn)水蒸氣富集，然后對(duì)高含濕量的濕空氣降溫獲取液態(tài)水。吸收法與吸附法原理相同，只是液體吸收劑代替固體吸附劑，但液體吸收劑易腐蝕設(shè)備、加熱時(shí)易揮發(fā)等缺點(diǎn)制約了其發(fā)展。

1981年，Sofrata[12]提出利用固體吸附劑吸附空氣中的水分，并討論了利用制冷系統(tǒng)獲取淡水的可行性。1992年，侴喬力等人提出一種太陽能吸附式空氣取水器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析證實(shí)該方案可行，即使在干燥的冬季也能達(dá)到0.139 kg的產(chǎn)水量[13]，之后對(duì)方案進(jìn)行改進(jìn)[14]。2004年，劉業(yè)鳳等[15]提出搭建了連續(xù)循環(huán)式吸附空氣取水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以不間斷連續(xù)取水，大大提高了取水效率，系統(tǒng)中用的復(fù)合吸附劑的單位質(zhì)量吸水率是普通硅膠的2.9倍。鄭青榕等[16]研究了利用船舶余熱供能的吸附取水方案，方案表明船舶可提供16 000 kW余熱，滿足吸附取水系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)熱量，船舶晃動(dòng)也不會(huì)影響出水率。趙惠忠等[17]用不銹鋼管、玻璃套管、復(fù)合吸附劑(硅膠和氯化鈣)等材料制備了太陽能水管，該單只水管在相對(duì)濕度為40%的環(huán)境下日產(chǎn)水量為700 mL。

2.4 半導(dǎo)體制冷法

半導(dǎo)體制冷法主要利用了通電半導(dǎo)體珀?duì)柼?yīng)[18]，由P型半導(dǎo)體元件和N型半導(dǎo)體元件連接形成熱電偶，通電情況下實(shí)現(xiàn)冷端制冷的效果，當(dāng)濕空氣通過冷面時(shí)降溫有水珠析出。半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有質(zhì)量輕、無污染、方便等優(yōu)點(diǎn)。

2003年，葉繼濤等提出設(shè)計(jì)了一種帶有回?zé)崞鞯奶柲馨雽?dǎo)體制冷取水裝置，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試[19,20]，該方案存在兩點(diǎn)不足：一方面太陽能蓄電池的轉(zhuǎn)化效率低且損耗大，另一方面受流通面積限值取水效率也較低。李兵[21]先對(duì)太陽能半導(dǎo)體取水機(jī)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，而后利用極值搜索控制方法對(duì)半導(dǎo)體制冷片工況極值進(jìn)行討論，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了極值搜索的準(zhǔn)確性。

2.5 聚霧取水法

霧是液化的小水滴懸浮在空氣中形成的，聚霧取水法就是把空氣中的小水滴捕獲分離出的方法。該法通常采用巨幅尼龍屏障作為集霧罩，首先將霧氣中的小液滴攔截，使之聚合變大，變大的水珠便會(huì)順著尼龍繩流到集水器中。該法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料易得，成本低，但受限于對(duì)氣候條件的特殊要求，只適用于霧多缺水的地方。例如在南美洲智利北部山區(qū)，由于特殊的地理位置環(huán)境，聚霧取水方式在該地區(qū)推廣使用，一臺(tái)聚霧取水器，每日可獲得水量1.5 L，供700人使用，滿足了村民基本用水需求[22]。

3 空氣取水的發(fā)展趨勢(shì)

空氣取水技術(shù)為淡水缺乏的地區(qū)提供了一個(gè)新的解決方案，目前國際上的空氣取水技術(shù)已呈現(xiàn)產(chǎn)品化趨勢(shì)，美國、德國、加拿大、以色列等國家已研發(fā)出在空氣濕度較高地區(qū)使用的取水設(shè)備。如加拿大“第四元素”公司研制發(fā)明了“水車”——家用取水機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)和廚房供水管路連通；法國Eole Water公司通過改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)，使其既能進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電也能實(shí)現(xiàn)空氣取水。由此可見，目前大型、大容量取水設(shè)備技術(shù)已經(jīng)成熟，但其也呈現(xiàn)系統(tǒng)笨拙，體積龐大不宜攜帶的缺點(diǎn)。

為了便于個(gè)人攜帶到野外生存使用，取水器需實(shí)現(xiàn)小型化，將來取水器的研究趨勢(shì)主要集中在以下三個(gè)方面：

1)研制高吸水性能的復(fù)合吸附劑，尤其在高溫干燥的沙漠地區(qū)，優(yōu)良的吸附劑能夠保證從干燥的空氣中獲取水分，還能縮短取水循環(huán)時(shí)間，也就是吸附和解析的時(shí)間；

2)仿生技術(shù)的研究，2011年，英國生物學(xué)家Andrew發(fā)現(xiàn)甲殼蟲Stenocara利用其背部特殊結(jié)構(gòu)收集空氣中的水分[23]，仿生材料的研究為取水設(shè)備小型化提供了思路；

3)微型取水裝置的研究，Hu等人研制了基于新型材料PDMS(聚二甲基硅氧烷)和微觀親水金屬球的吸附解析式空氣取水裝置，優(yōu)化了裝置結(jié)構(gòu)，使其體積大幅度減小。研究表明該裝置能夠在常溫常壓下正常取水，驗(yàn)證了微型取水裝置的可行性。

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A review on extracting water from air

Li Qiang1Hao Xiuyuan2

(1.BuildingSafetySupervisionStationinNanjing,Nanjing210001,China; 2.CollegeofDefenceEngineering,PLAUniv.ofSci.&Tech.,Nanjing210007,China)

The paper describes the basic principle of extracting water from air, and introduces respectively six methods of extracting water from air: the collection of precipitation, mechanical compression method, condensation method, absorption/desorption method, semiconductor refrigeration and collecting fog method. At the same time, it points out that the development of the new composite adsorbent, the bionic technology, and the micro water collecting device will be the research direction.

extracting water from air, condensation method, absorption/desorption method, semiconductor refrigeration

1009-6825(2016)31-0124-03

2016-08-23

李 強(qiáng)(1964- )，男，高級(jí)工程師； 郝秀淵(1992- )，男，在讀碩士

TV213

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