太陽能空氣制水技術(shù)研究

滑迎輝,郝劉倉,蘇浩,呂志強(qiáng),李丹丹（中國(guó)船舶重工公司第七一八研究所，河北邯鄲056027）

太陽能空氣制水技術(shù)研究

滑迎輝,郝劉倉,蘇浩,呂志強(qiáng),李丹丹
（中國(guó)船舶重工公司第七一八研究所，河北邯鄲056027）

本文利用制備的一種吸水材料裝填在自主設(shè)計(jì)的太陽能空氣制水裝置中，可以從空氣中制取干凈的飲用水，介紹了吸水材料的制備方法和太陽能空氣制水裝置的設(shè)計(jì)，研究吸水材料的吸水率和裝置的制水試驗(yàn)效果。

太陽能；空氣制水；吸水率；出水率

1 研究的前景及意義

淡水是人類社會(huì)生存和發(fā)展不可缺少的資源之一,但是隨著人類的發(fā)展、工業(yè)的進(jìn)步、環(huán)境污染、人口增多等，不可避免的破壞了淡水資源，世界上可用的淡水資源逐漸短缺，一部分國(guó)家和地區(qū)大量缺乏生活用水。因此，如何獲得淡水成為了當(dāng)前人類社會(huì)關(guān)心且尚待解決的問題[1]。

空氣制水技術(shù)是近年來新興的一種解決淡水危機(jī)的技術(shù)途徑，其原理是是采取一定方法收集空氣中的水資源并加以利用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，空氣中的總含水量大約14,000km3[2]。地球大氣層含有大量的水蒸汽，即使是沙漠地區(qū)，其含水量也超過10g·m-3?？諝庵扑姆椒煞譃椋簷C(jī)械方法、制冷結(jié)露法、吸附法。本文設(shè)計(jì)了一種太陽能空氣制水用吸水材料和裝置，能源驅(qū)動(dòng)為太陽能，水源來自于大氣中以氣態(tài)形式存在的水蒸汽，根據(jù)實(shí)際需要來適時(shí)制取飲用水和生活用水，尤其對(duì)于淡水資源被污染淡水供應(yīng)不足的地區(qū)可以發(fā)揮很好的作用。

2 太陽能空氣制水技術(shù)原理

水蒸汽冷凝是一個(gè)傳質(zhì)過程，即水蒸汽分子在氣相和液相之間傳遞的過程。傳質(zhì)需要推動(dòng)力，這個(gè)推動(dòng)力就是水汽平衡分壓即水的飽和蒸氣壓，與水表面的實(shí)際蒸氣壓或者說是空氣中的水汽分壓之間的差值。要使水蒸汽冷凝，就要使空氣中的水汽分壓大于水的飽和蒸氣壓?？諝庵械乃謮涸跐穸炔蛔儠r(shí)是不會(huì)變化的，但水的飽和蒸氣壓卻與溫度是單一函數(shù)關(guān)系，降低溫度，就會(huì)使水的飽和蒸氣壓降低，當(dāng)水的飽和蒸氣壓低于空氣中的水汽分壓時(shí)，水蒸汽就會(huì)冷凝，這個(gè)溫度就是露點(diǎn)。當(dāng)溫度低于露點(diǎn)時(shí)，水蒸汽就會(huì)冷凝。在總壓一定的情況下，露點(diǎn)與空氣中的水汽分壓是單一函數(shù)關(guān)系。

圖1吸水材料的吸附熱力循環(huán)Fig.1 Adsorption thermodynamic cycle ofwater absorbing material

圖1 表示的是吸水材料的吸附熱力循環(huán)過程。AB代表吸水材料被加熱脫附后的冷卻過程，BC代表吸水材料在環(huán)境空氣中水蒸汽分壓p2下的冷卻吸附過程，吸附質(zhì)量由m2增大到m1，CD代表吸附飽和后的吸水材料在取水裝置中的加熱過程，裝置中水蒸汽分壓p2增加到冷凝溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力p1，DA代表吸水材料的加熱過程，此時(shí)水蒸汽在冷凝溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力下凝結(jié)并流入儲(chǔ)水裝置。一次循環(huán)的脫除水量為△m=m1-m2。

采用多孔吸附介質(zhì)和無機(jī)鹽制備的復(fù)合材料作為吸水材料。吸水材料通過微孔內(nèi)的無機(jī)鹽與水分反應(yīng)生成水合物來吸附空氣中的水分，吸附過程化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

A+n H2O→A·n H2O

當(dāng)富含水蒸汽的空氣通過吸附床時(shí)，吸水材料對(duì)水蒸汽進(jìn)行吸附，并最終達(dá)到吸附飽和。通過太陽能對(duì)吸附床進(jìn)行加熱，吸水材料中的水合物分解為無水無機(jī)鹽和水蒸汽，完成脫附過程。脫附后的水蒸汽進(jìn)入冷凝器，當(dāng)溫度低于其露點(diǎn)溫度時(shí)，便在其上凝結(jié)，形成液態(tài)水見圖2。脫附過程化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

A·n H2O→A+n H2O↑

圖2 吸水材料吸附、脫附過程Fig.2 Adsorption and desorption processes ofwater absorbingmaterials

3 吸附劑的制備

3.1 試劑和儀器

5mm的負(fù)載型γ-Al2O3球、分析純LiCl、二次蒸餾水。

干燥箱、浸泡設(shè)備、超聲波振蕩器、電子天平、攪拌棒。

3.2 制備方法

準(zhǔn)確稱量外徑為5mm的負(fù)載型γ-Al2O3球，清洗后將其裝到烘干托盤中，放入具有通風(fēng)功能的干燥箱內(nèi)加熱烘干，加熱溫度設(shè)為120℃，干燥時(shí)間為4h。然后關(guān)閉干燥箱，γ-Al2O3球在干燥箱內(nèi)自然降溫到常溫，得到干凈無吸附雜質(zhì)的γ-Al2O3球。按照70∶30的比例準(zhǔn)確稱量去二次蒸餾水和分析純氯化鋰的重量，將去離子水放入浸泡設(shè)備中，底部對(duì)容器進(jìn)行加熱保持其80℃的溶液溫度，將稱好的分析純氯化鋰粉體緩慢加入到溫度80℃的二次蒸餾水中進(jìn)行攪拌均勻。將已降溫后的負(fù)載型γ-Al2O3球加入到用去離子水配制的30%LiCl水溶液中浸泡4h，然后用超聲波振蕩10min，再次進(jìn)行浸泡4h，接著超聲波振蕩10min。將吸收了LiCl溶液的γ-Al2O3球從浸泡設(shè)備中取出，將其裝到烘干托盤中放入干燥箱內(nèi)加熱烘干，加熱溫度為120℃。干燥或烘干至恒重，得到最終的吸水材料。

4 太陽能空氣制水裝置組成及工作過程

4.1 裝置組成

太陽能空氣制水裝置由太陽能管、吸附-解吸柱、風(fēng)機(jī)、閥門、水處理器、儲(chǔ)水器、冷凝器組成。

圖3 太陽能集熱管式空氣制水器示意圖Fig.3 Schematic diagram of solar collector tube air cleaner

圖4 太陽能集熱管式空氣制水器實(shí)物圖Fig.4 Solar collector tube type airwater purifier physicalmap

4.2 裝置工作過程

將制備的吸水材料填充到吸附-解吸柱中，吸附過程：閥v1和v2通、閥v3和v4通、閥v6和v7閉合。風(fēng)機(jī)將經(jīng)過濾網(wǎng)過濾的環(huán)境濕空氣通過v1和v2鼓入吸附-解吸柱，水蒸汽被吸水劑吸附后，成為干燥空氣經(jīng)過v3和v4排放到環(huán)境中。通過測(cè)試進(jìn)出口空氣的濕度來確定吸水材料是否吸附飽和。吸附飽和后進(jìn)行解吸過程：閥v1、v2閉合、閥v3和v5通、閥v6和v7通。吸附-解吸柱通過外層的太陽能加熱管加熱吸水材料，使其吸附的水蒸汽脫附在裝置中形成內(nèi)循環(huán)的濕空氣，濕空氣經(jīng)過冷凝裝置時(shí)會(huì)被冷卻到露點(diǎn)溫度以下，以液態(tài)水的形式凝結(jié)，液態(tài)水經(jīng)水處理設(shè)備轉(zhuǎn)化為飲用水，最后匯聚到儲(chǔ)水箱中。

5 結(jié)論

太陽能吸水材料平均吸水率可達(dá)68.5%，裝置的出水率可達(dá)51.5%，且多次吸水、出水，吸水材料粉末較少且無破裂的現(xiàn)象。與傳統(tǒng)高吸水性樹脂和吸水硅膠相比，在用太陽能加熱時(shí)此吸水材料不會(huì)析出有毒的揮發(fā)性有機(jī)物而影響冷凝水的水質(zhì)，檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 太陽能吸水材料吸水情況Fig.1 Absorbent condition of solar energy absorbentmaterial

［1］張欣茹，姜澤毅，等，新的淡水資源-空氣取水［J］.水資源保護(hù)，2007,23（3）：60-62.

［2］薛殿華.空氣調(diào)節(jié)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1991.

Study on solar water technology from air

HUA Ying-hui,HAO Liu-cang,SU Hao,LV Zhi-qiang,LIDan-dan
（The 718th Research Instisute Of CSIC,Handan 056027，China）

In this paper a kind ofwater absorbingmaterial filling in the independent design of solar water system of air device was prepared.It can be obtained from the air and clean drinking water.The preparation methods ofwater absorbingmaterials and the design of solar water system of air device ware wtroduced,the bibulous rate of water absorbingmaterials and deviceswater test resultswere studied.

solarenergy;water system ofair;bibulous rate;yield

TQ127.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170781

2017-03-16

滑迎輝（1985-），男，工程師，2012年畢業(yè)于中國(guó)艦船研究院，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，碩士，主要從事空氣凈化相關(guān)專業(yè)方向。