空氣冷凝取水技術(shù)的研究現(xiàn)狀

李維瑄 張延龍 鄭力燕 黃彭鑫悅 王孟楠 胡維儀

摘 要：本文介紹了現(xiàn)目前冷凝取水的現(xiàn)狀與發(fā)展。目前，空氣冷凝取水有兩種，種是露點(diǎn)取水，一種是吸附劑取水。近幾年，隨著全球缺水化問題的日益嚴(yán)重，空氣冷凝取水成為了熱點(diǎn)話題，國內(nèi)外的許多科學(xué)家、發(fā)明家等都紛紛以此為研究對象，創(chuàng)造出新的科技產(chǎn)品等來解決缺水問題?？諝饫淠∷夹g(shù)正在一步一步地進(jìn)行完善與優(yōu)化，大家都在為解決缺水問題而做出努力。

關(guān)鍵詞：空氣冷凝取水；進(jìn)展；趨勢

中圖分類號：TV213 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0226-02

0 引言

全球有多數(shù)國家、地區(qū)存在著水資源匱乏的問題，干旱地區(qū)的人們無法得到干凈，水質(zhì)有保障的飲用水和生活用水，長年的缺水狀態(tài)，是他們生活的大難題。我國是一個嚴(yán)重缺水的國家，且水資源分布不均勻，南北水質(zhì)差異大，所以我國進(jìn)行了南水北調(diào)，引灤入津等等調(diào)水工程?？墒钦{(diào)水工程前期國家投入巨大，工程周期長，需要耗費(fèi)大量人力去修建，還可能會影響周邊居民的正常生活，且無法立刻運(yùn)用于實(shí)際生活。就此，全球的科學(xué)家、發(fā)明家等等積極投身于發(fā)明，創(chuàng)造各種產(chǎn)品，科技用于解決水資源缺乏問題。其中空氣取水成為研究熱點(diǎn)，大家紛紛從不同角度進(jìn)行研究。

1 冷凝取水原理

目前空氣取水的方法一般有兩種，一種是利用露點(diǎn)原理進(jìn)行取水，另一種是利用吸附劑原理進(jìn)行取水。我們的智能產(chǎn)水器的其中一個主要產(chǎn)水方法就是利用空氣冷凝取水技術(shù)。大氣空氣是由干空氣和一定量的水蒸氣混合而成的，因此也叫做濕空氣[1]。我們的智能產(chǎn)水器的冷凝水制冷片表面的空氣溫度下降到露點(diǎn)以下，在制冷機(jī)表面上凝結(jié)而成的水?？諝庵袩o論冷熱都含有水蒸氣。當(dāng)空氣中水分的含量超過飽和濃度，水就會冷凝出來。溫度越高空氣中可以含有的水分就越多；反之，溫度越低空氣中可以含有的水分就越少。具體產(chǎn)生多少，產(chǎn)生速度，要根據(jù)空氣的飽和蒸汽壓來計算。理論上，空氣冷凝水是純凈水，但由于空氣中的微小懸浮顆粒，微生物等是冷凝水中可能存在著肉眼看不到的微小雜質(zhì)，所以普遍由空氣冷凝取水技術(shù)取出來的水還需要進(jìn)行凈化才能完全放心飲用，但是用此技術(shù)取得的水的品質(zhì)極高，在大多數(shù)地區(qū)所取得的水是完全符合我國生活用水標(biāo)準(zhǔn)的有的甚至可以直接飲用。

2 國內(nèi)研究進(jìn)展

現(xiàn)目前國內(nèi)有多個公司，學(xué)校對空氣冷凝取水進(jìn)行研究，并得到相應(yīng)研究成果，空氣取水技術(shù)得到飛躍提升。本文中主要提取4個重要案例進(jìn)行主要講解。

2.1 安徽建筑大學(xué)熱管低溫蒸發(fā)端結(jié)露集水器

該裝置不需要消耗任何能源。該裝置與美國加州大學(xué)伯克利分校的WaterSeer裝置原理相似，該裝置白天利用熱管的導(dǎo)熱性能進(jìn)行空氣換熱，將冷凝端埋入地下，上部蒸發(fā)端與金屬集水盤連接將空氣中的熱量傳給熱管，再經(jīng)熱管傳入地下與恒溫土壤換熱，使金屬集水盤表面溫度降到空氣露點(diǎn)溫度以下，凝結(jié)出水。夜晚利用溫差，使集水器金屬表面和空氣的對流換熱，使集水器表面空氣溫度迅速降到露點(diǎn)溫度以下，析出水分加以利用。該裝置可以很方便地儲水，并且節(jié)約能源的利用，綠色環(huán)保，然而該裝置所需的占地面積較大，且不方便移動，一般是固定在某個特定的地方。

2.2 深圳福能達(dá)空氣與水科技發(fā)展公司的空氣制水機(jī)

該設(shè)備一天能取水20-50升，且已經(jīng)開始進(jìn)入人們的日常生活中，但是目前該設(shè)備一般適合家用或者小范圍區(qū)域使用。福能達(dá)空氣制水機(jī)是先將空氣中的水收集起來，然后再利用冷凝原理，再將產(chǎn)生的冷凝水進(jìn)行進(jìn)化從而達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。整個過程具有取水效率高、能耗低、水質(zhì)優(yōu)良、自動控制等特點(diǎn)。目前福能達(dá)空氣制水機(jī)只需要達(dá)到空氣濕度25%左右就可以取水，比國內(nèi)類似裝置的濕度要求低了15%左右，實(shí)現(xiàn)低成本高效率地解決全球缺水污染問題。

2.3 上海交通大學(xué)空氣中取水的設(shè)備

其中制冷劑氣體冷凝熱的一部分由冷凝器散熱，另一部分用于加熱熱飲水儲水器中的凈化水，制冷劑液體的蒸發(fā)冷量一部分用于制水，另一部分用于冷卻儲水器中的凈化水，我們就可以直接通過冷、熱水龍頭分別進(jìn)行飲用水的飲用。這套飲水裝置包括機(jī)、制水器、殺菌紫外燈和活性炭凈化器、取水器等。該設(shè)備產(chǎn)水量大，且可以直接取用冷，熱水，但是產(chǎn)水器體積大，適用范圍不夠普及。

2.4 中國空軍某設(shè)計研究局的“戰(zhàn)場生存保障空氣取水設(shè)備”

中國空軍某設(shè)計研究局的高級工程師羅繼杰研制成功的“戰(zhàn)場生存保障空氣取水設(shè)備”，在5-43℃的范圍內(nèi)、相對濕度大于40%的條件下，每天可以從空氣中提取30多公斤的純凈水，只要有電源就可以直接運(yùn)行。提取的水經(jīng)過層層過濾、消毒和添加一些人體所需的微量元素，水質(zhì)完全達(dá)標(biāo)并且可以直接飲用。但是該設(shè)備運(yùn)用范圍不廣，只在軍隊(duì)推廣，且必須要依靠電源，不能達(dá)到在條件十分惡劣時利用。

3 國外研究進(jìn)展

國外也有很多優(yōu)秀的空氣取水案例，本文也主要選取4個典型案例進(jìn)行分析。

3.1 以色列案例

以色列Water-Gen公司在近幾年推出的空氣取水系統(tǒng)有大型，中型和家用幾種不同系列的設(shè)備。小型設(shè)備可用于家庭和辦公室，每天大約能產(chǎn)生30升左右的水，中型設(shè)備每天平均生產(chǎn)600升左右清潔用水，大型設(shè)備每天能產(chǎn)生5000升左右飲用水，每天可大約為2500人提供飲用水。對于沒有電的地區(qū)，Water-Gen公司還推出了一款靠電池運(yùn)行的解決方案。不過Water-Gen公司的執(zhí)行主席坦言，Water-Gen制造的水的成本比淡化水要高，在淡化水裝置出現(xiàn)問題，無法供水時，Water-Gen就成為了代替方案。目前，Water-Gen公司還在進(jìn)一步研發(fā)其核心技術(shù)，將空氣取水設(shè)備安裝到交通工具上，以便隨時隨地提供飲用水。Water-Gen公司的空氣取水設(shè)備已經(jīng)在印度，美國，拉丁美洲，一些非洲國家等展開應(yīng)用。[2]

3.2 伯克利案例

美國加州大學(xué)伯克利分校的團(tuán)隊(duì)設(shè)計出一款名為WaterSeer的空氣取水器。WaterSeer最大的亮點(diǎn)就是它能24小時不間斷工作，且操作較為簡單，也不需過多維護(hù)從當(dāng)前的測試來看，WaterSeer每天最高能產(chǎn)水41升。而這款設(shè)備是作用原理是利用溫差使水蒸氣凝結(jié)來取水。WaterSeer整個裝置高約1.7米左右，裝置較為龐大，而且我們需要將WaterSeer插入地下深約六英尺的地方，設(shè)備開始運(yùn)轉(zhuǎn)后，我們不能直接獲得飲用水，而是需要通過按壓手動將水抽取出來。

3.3 德國弗勞恩霍夫?qū)W會下屬的界面工程處理和生物技術(shù)研究所案例

2009年6月2日德國弗勞恩霍夫?qū)W會下屬的界面工程處理和生物技術(shù)研究所宣布，他們和一家德國公司合作開發(fā)了一種可以將濕空氣轉(zhuǎn)化為飲用水的設(shè)備。這種設(shè)備的核心原理是利用鹽水的吸濕作用將空氣中的水分收集起來，而它的電能可完全依靠太陽能提供。該容器產(chǎn)水量大，使用太陽能節(jié)約能源，適用范圍廣。但該設(shè)備體積巨大，安裝調(diào)試?yán)щy，且產(chǎn)水水質(zhì)無法保障。

3.4 Fontus Airo案例

來自澳洲的工業(yè)工程師克里斯托夫研發(fā)出了一款可隨時隨地取水的空氣集水瓶——Fontus Airo。該集水瓶的設(shè)計靈感源于一種在納米布沙漠上生活的甲蟲。它看上去就是一個普通的水瓶，但是這個空氣集水瓶可以冷凝空氣中的水分并將其轉(zhuǎn)化成安全飲用水儲存在水杯內(nèi)。瓶子里安裝了簡單的空氣壓縮及過濾系統(tǒng)，可以過濾體積較大的污染物以及蟲子等。集水瓶通過降低空氣的溫度來收集水分，通過抽氣扇來加速冷凝速度達(dá)到產(chǎn)水效果。理想狀態(tài)下，Airo每小時可以生成大約0.6升的水[3]。瓶身有一塊太陽能電池板，給集水瓶供電，開始集水時，用戶只需擰開蓋子插上USB，將瓶子放置在太陽下即可。這款空氣集水瓶雖然實(shí)現(xiàn)了取水個人化，操作簡單快捷，縮小了空氣取水的裝置，但是這款杯子只能過濾掉較大的污染物和灰塵等，無法解決細(xì)菌問題，在空氣污染較為嚴(yán)重的地方收集的水無法直接飲用。

4 空氣冷凝取水技術(shù)發(fā)展趨勢

近年來，隨著地球能源的消耗，全球開始倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展能源，推廣綠色無污染，相比其它消耗大的產(chǎn)水技術(shù)，空氣冷凝取水技術(shù)既節(jié)約了能源，又做到了環(huán)保高效，是十分可取的一項(xiàng)取水技術(shù)。并且空氣取水的成本較低，操作簡單，僅需一臺機(jī)器，就可以提供健康安全的飲用水，它在一定程度上能夠解決全球缺水問題。適用于各類場所，還可用于農(nóng)業(yè)，畜牧業(yè)等生活場景。隨著發(fā)明家，科學(xué)家對空氣冷凝取水的深入研究，該項(xiàng)技術(shù)將更加普遍的運(yùn)用與我們的生活中，為人類的生活提供便利，特別是讓干旱地區(qū)居民的生活條件得到改善，讓水資源的來源變得豐富起來。未來空氣冷凝取水技術(shù)的前景將會十分可觀，它的出現(xiàn)引起了社會各界的重視，而它對于人類又是一個造福世界的可持久利用的新新技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] Cao Y Z，Wang S Y，Zhang G，et al.2009.Chemical characteristics of wet precipitation at an urban site of Guangzhou，South China[J].Atmospheric Research，94：462-469.

[2] 劉玉德，王碩，吳剛，張浩.空氣制水技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展應(yīng)用[J].自動化應(yīng)用，2017（02）：30-32.

[3] 澳洲推出黑科技水杯可從空氣中搜集水分[J].家電科技，2018（01）：11.