吸附式空氣取水系統(tǒng)現(xiàn)狀與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展*

李胤凝， 余瓊粉,2， 李明,2， 湛丹亞，朱蓉， 李愛民， 陳杰， 王云峰,2

(1.云南師范大學(xué) 太陽(yáng)能研究所，云南 昆明 650500；2.云南省高校太陽(yáng)能供熱與制冷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

研究表明，2025年世界人口的三分之二(約40億)將面臨缺水的壓力，其中19億人的生活極度缺水[1].大氣中的水通常有三種基本類型[2]：漂浮在天空中的云、靠近陸地的霧和空氣中的水蒸氣，對(duì)應(yīng)的從大氣中獲取淡水的三種主要方法為雨水收集、冷凝結(jié)露法和吸附式空氣取水[3]；由于降雨的不可控性，且干旱地區(qū)空氣濕度低降水極少，人工降雨又需要昂貴的費(fèi)用和大量的能源消耗，因此雨水收集法無法在干旱地區(qū)使用；對(duì)于空氣濕度較低的地區(qū)，空氣露點(diǎn)溫度較低限制了冷凝結(jié)露法的使用；霧只在少部分區(qū)域內(nèi)有限的天數(shù)出現(xiàn).相比之下，吸附式空氣取水系統(tǒng)不受環(huán)境和區(qū)域的限制，尤其在農(nóng)業(yè)上為溫室大棚供水的同時(shí)，利用吸附解吸過程的熱量傳遞還可調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，必要時(shí)還能回收溫室內(nèi)的多余水蒸氣；同時(shí)其可以很容易與可再生資源(如太陽(yáng)能)進(jìn)行結(jié)合，滿足各種需求[4].

1 吸附式空氣取水概述

吸附式空氣取水的本質(zhì)為水蒸氣的吸附—解吸—冷凝過程，如圖1所示[5].先將吸附劑暴露在空氣中，利用吸附劑的親水性捕獲水分，隨后封閉系統(tǒng)通過陽(yáng)光或其他熱源加熱吸附劑，隨著溫度的升高吸附劑中的水開始解吸；在冷凝器中水蒸氣與低于露點(diǎn)溫度的冷源進(jìn)行換熱，水蒸氣液化形成水滴，最終由于重力作用離開冷凝器進(jìn)入儲(chǔ)水罐.

吸附劑是吸附式空氣取水系統(tǒng)的重要組成材料，常用的吸附劑主要分為物理吸附劑、化學(xué)吸附劑、聚合物吸附劑和復(fù)合吸附劑四類.物理吸附劑主要有硅膠、沸石、活性炭和活性碳纖維(Activated Carbon Fiber，ACF)；硅膠和沸石為顆粒狀，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但都存在吸附能力較差且導(dǎo)熱性不佳的問題；ACF具有比顆粒狀活性炭更大的吸附容量和更快的吸附動(dòng)力學(xué)性能，但吸附量較小.吸濕性鹽作為主要的化學(xué)吸附劑，通過水合反應(yīng)吸附水分子，吸附能力較強(qiáng)，但易發(fā)生三相吸附而潮解、泄漏，無法保持固體形態(tài).常用的聚合物吸附劑有金屬有機(jī)骨架化合物(Metal Organic Framework，MOF)和水凝膠；MOF材料即使在低于20%的相對(duì)濕度下也具有較強(qiáng)的吸附能力，吸附容量大、比表面積高，但吸附穩(wěn)定性差和價(jià)格過高制約了其大規(guī)模應(yīng)用；水凝膠吸水能力卓越，而且具有支撐和固定作用，能夠兼容吸濕性鹽及光-熱轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)、導(dǎo)熱性好的材料形成復(fù)合吸附劑，但水凝膠的吸附動(dòng)力學(xué)較慢.復(fù)合吸附材料主要是通過將吸濕性鹽與其他材料進(jìn)行復(fù)合，以改善吸濕性鹽的傳熱、傳質(zhì)和鹽泄漏等問題，但復(fù)合吸附劑上過高的鹽含量或者相對(duì)濕度較高時(shí)仍有鹽泄漏的風(fēng)險(xiǎn).

圖1 吸附式空氣取水工作流程[5]

2 吸附式空氣取水系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

能夠?qū)嶋H應(yīng)用的空氣取水系統(tǒng)必須滿足五個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：高效、成本低、可擴(kuò)展、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛和能夠常年穩(wěn)定運(yùn)行[6]，所以首先要制定空氣取水系統(tǒng)中涉及的性能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而整體評(píng)價(jià)系統(tǒng)的效率和商用化的可能性.空氣取水技術(shù)主要采用三個(gè)指標(biāo)來評(píng)估系統(tǒng)性能[7]：每單位質(zhì)量水所需能耗(SEC)、單位吸附劑額定取水量(SWP)、吸附劑的水分回收率(RR).

2.2 系統(tǒng)優(yōu)化方法分類

為了提高吸附式空氣取水系統(tǒng)整體性能，對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化主要集中在吸附劑材料、吸附床結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)三個(gè)方面.

2.2.1 吸附材料優(yōu)化

在吸附材料的改進(jìn)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用復(fù)合的方法，實(shí)現(xiàn)了吸附材料循環(huán)吸附量、吸附速率、解吸速率及光-熱轉(zhuǎn)換能力的提升，并在一定程度上防止鹽泄漏.

Ejeian等人[8]在復(fù)合ACF和LiCl[9]的基礎(chǔ)上，從提升吸附能力和防止泄漏方面[10]進(jìn)行了改進(jìn).先負(fù)載10wt%的MgSO4再負(fù)載飽和LiCl溶液得到一種二元鹽復(fù)合材料，在20 ℃、70%RH下可以達(dá)到2.29 g水/g吸附劑的吸附量.在德黑蘭建立取水系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，夜間吸附過程在RH<35%的條件下持續(xù)進(jìn)行10 h，白天吸附劑解吸時(shí)裝置接收的太陽(yáng)輻射總量為46.7 kJ，系統(tǒng)共產(chǎn)出2.2 mL水，日產(chǎn)水量可達(dá)0.92 g水/g吸附劑.

MOFs材料具有多孔、大比表面積和多金屬位點(diǎn)等諸多性能.鑒于鋯基MOFs(MOF-801)在較低的相對(duì)濕度環(huán)境下吸附性能良好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、循環(huán)吸脫附穩(wěn)定和易回收利用等優(yōu)點(diǎn)，是較早應(yīng)用于空氣取水系統(tǒng)的吸附材料之一.為改善MOF-801在紅外區(qū)和近紅外區(qū)的低光吸收率、低熱導(dǎo)率[11]和高熱容量[12]的不足，F(xiàn)athieh等人[13]將MOF-801與33%質(zhì)量的無孔石墨混合獲得復(fù)合吸附材料MOF-801/G，以增強(qiáng)其熱物性[14]和光譜吸收性能，該復(fù)合材料同時(shí)具備了解吸溫度低、循環(huán)穩(wěn)定性良好和低相對(duì)濕度下較高吸附容量的優(yōu)勢(shì).

Li等人[15]采用水凝膠固定吸濕性鹽，并摻雜具有優(yōu)異光吸收特性和光-熱轉(zhuǎn)換效率的碳納米管(Carbon Nanotubes，CNT)作為光-熱轉(zhuǎn)換材料，組成復(fù)合吸附劑聚丙烯酰胺(PAM)-CNT-CaCl2水凝膠來改善產(chǎn)水速率，在26 ℃、60%～70%RH下17 h吸附了37 g水，經(jīng)2.5 h光照解吸收集到20 g水，單個(gè)取水循環(huán)取得0.57 g水/g吸附劑的產(chǎn)水量.

Yao等人[16]實(shí)驗(yàn)使用了基于多孔聚丙烯酸鈉(PAAS)/石墨烯骨架(氧化石墨烯GO)合成材料(PGF).PGF的微孔結(jié)構(gòu)為水分提供了有效的傳質(zhì)通道和更大的接觸面積，而PAAS的含氧官能團(tuán)可以通過氫鍵自發(fā)捕獲水分子.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PAAS與GO的質(zhì)量比約為1∶4時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)高效取水，在100%和15%RH下單個(gè)取水循環(huán)分別達(dá)到5.20 g水/g吸附劑和0.14 g水/g吸附劑的超高吸水性能.

為了提升材料對(duì)溫度的敏感性，Yilmaz等人[17]發(fā)明了一種具有獨(dú)特自主滲水功能的吸附式空氣取水系統(tǒng).該系統(tǒng)基于一種特殊的聚合物金屬有機(jī)骨架材料(PC-MOF)吸附劑，將鉻基MIL-101和CaCl2加入聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)基體中制成，既繼承了MIL-101(Cr)和CaCl2卓越的吸附能力，又具有溫敏物質(zhì)PNIPAM的親疏水轉(zhuǎn)換特性.

2.2.2 吸附床結(jié)構(gòu)優(yōu)化

吸附床結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要目的在于增加吸附材料與水蒸氣的接觸面積、提高傳熱傳質(zhì)、引導(dǎo)水蒸氣溢出并使吸附劑表面水滴快速聚集排出，可以通過改變吸附劑自身的厚度、形狀以及吸附床的材料、形狀等來實(shí)現(xiàn).對(duì)于通過太陽(yáng)輻照提供熱能解吸的系統(tǒng)，優(yōu)化的吸附床結(jié)構(gòu)可以提高光吸收率.

Shi等人[18]采用高比表面積的聚乙烯醇(PVA)/聚吡咯(PPy)水凝膠吸附劑，通過優(yōu)化吸附床結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了全天候集水的功能，并對(duì)比發(fā)現(xiàn)將吸附劑加工成樹形結(jié)構(gòu)后吸附速率最快，吸附量最高.同時(shí)，取水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過太陽(yáng)能加熱解吸的水蒸氣收集和霧水收集兩種功能.通過實(shí)驗(yàn)和建模，還證明了樹形結(jié)構(gòu)可以最大限度地提高光吸收效率，并引導(dǎo)蒸氣逸出，平均在太陽(yáng)熱通量1 kW/m2條件下實(shí)現(xiàn)3.64 kg/(m2·h)的解吸速率.

Kim等人[19]選用MOF-801作為吸附劑，在25 ℃、20%RH下達(dá)到吸附平衡后，對(duì)吸附劑1-5 mm厚度的解吸效率進(jìn)行了探究.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1 mm厚度的MOF-801的吸附、解吸速率遠(yuǎn)超5 mm厚度的樣本，但同時(shí)單個(gè)循環(huán)的吸附量會(huì)大幅度減少.在20%RH下，每千克MOF-801每日產(chǎn)水2.8 L，且不需要額外投入能源.隨后他們對(duì)負(fù)載吸附劑的吸附床進(jìn)行了優(yōu)化[20]，將多孔泡沫銅釬焊接到銅板上作吸附劑載體，金屬泡沫的多孔特性有效提高了附著在表面的吸附劑與水蒸氣的接觸面積，同時(shí)促進(jìn)了傳熱.背面涂有Pyromark涂料的銅板作為太陽(yáng)能吸收器，提高了太陽(yáng)光的吸收率和光-熱轉(zhuǎn)換能力.

2.2.3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

每日多循環(huán)取水系統(tǒng)和連續(xù)取水系統(tǒng)的模型多數(shù)建立在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式上的創(chuàng)新，使系統(tǒng)的日取水量得到較大的提升.

Li等人[21]制作了一種自動(dòng)化的連續(xù)取水系統(tǒng)，如圖2所示.將吸濕性鹽LiCl封裝在直徑約300 nm的中空納米碳球內(nèi)作為吸附劑.空心碳球(HCS)具有優(yōu)異的光-熱轉(zhuǎn)換能力，同時(shí)有效減少吸濕性鹽的泄露.吸附劑在60%RH下3 h內(nèi)可從空氣中吸附高達(dá)其自身質(zhì)量100%的水蒸氣，并在1 kW/m2的陽(yáng)光照射下30 min內(nèi)就能迅速解吸.系統(tǒng)由中心旋轉(zhuǎn)筒、帶透明蓋板的銅冷凝器和帶步進(jìn)電機(jī)的框架三個(gè)主要部件組成.圓桶吸附床上負(fù)載吸附劑的量為2.93 g.系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)筒上的吸附劑吸附從下方進(jìn)入的水蒸氣，旋轉(zhuǎn)至上方時(shí)由太陽(yáng)輻照供能進(jìn)行解吸.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得到的每日產(chǎn)水量達(dá)1.6 g水/g吸附劑.

圖2 使用涂有干燥劑的旋轉(zhuǎn)圓筒取水系統(tǒng)[21]

LaPotin等人[22]創(chuàng)新性地將系統(tǒng)由常見的單級(jí)系統(tǒng)改為由兩個(gè)吸附層組成的雙級(jí)系統(tǒng)，如圖3(a)所示；上層吸附劑中通過陽(yáng)光輻射解吸的水蒸氣在與底部吸附層接觸的銅表面上冷凝，冷凝潛熱被回收并傳導(dǎo)到下層吸附床中用來解吸.為了體現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)選擇了一種吸附能力較低的微孔磷酸鋁鐵AFI型沸石(AQSOA Z01)[23].實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)階段的產(chǎn)水量與模型預(yù)測(cè)水量如圖3(b)所示.由于傳熱過程中的熱損失，導(dǎo)致下層吸附劑層的產(chǎn)水量比預(yù)測(cè)的值低.預(yù)測(cè)該模型具有每日0.85 L/m2的產(chǎn)水量(20 ℃、68%RH下),但實(shí)際戶外實(shí)驗(yàn)中每日只得到了0.77 L/m2的產(chǎn)水量.

(a) (b)

Nandakumar等人[24]選用了水凝膠作為吸附劑，并在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式上做了較大的改變.取水過程將吸附階段和解吸階段分開進(jìn)行，如圖4(a)所示.吸附階段，系統(tǒng)日間懸浮在海面上對(duì)海面上的水蒸氣進(jìn)行吸附，當(dāng)玻璃板上的水凝膠吸附飽和后，替換成擔(dān)載干燥水凝膠的玻璃板.解吸階段則是將多塊擔(dān)載吸附飽和水凝膠的玻璃板，按一定間距垂直插入密封玻璃箱中由太陽(yáng)輻照供熱進(jìn)行解吸，如圖4(b)所示.由于水凝膠的解吸溫度低至55 ℃，AM1.5下解吸出的水蒸氣遇到玻璃箱的側(cè)壁冷凝成水滴.模擬海面上普適的濕度條件，系統(tǒng)每日可用1 kg的水凝膠收集約10 L的水.每個(gè)循環(huán)只進(jìn)行約15 min的吸附階段和5 min的解吸階段，每日最高產(chǎn)水量可超過14 L/kg水凝膠.

(a) (b)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 傳熱性能

基于吸附的空氣取水系統(tǒng)的吸附床加熱可以由換熱器或太陽(yáng)輻照完成.目前的取水系統(tǒng)中，熱量主要是通過吸附床輸入到系統(tǒng)中.吸附床上熱量分布不均會(huì)影響解吸效率，進(jìn)而延長(zhǎng)取水循環(huán)時(shí)間.采取適當(dāng)措施改善吸附床的傳熱問題，有利于縮短取水循環(huán)時(shí)間從而提高產(chǎn)水量.一種方法是使用肋片結(jié)構(gòu)[8]或?qū)嵝院玫牟牧?如多孔泡沫銅[20])作吸附床的基體；另一種方法是增加吸附劑的光熱性能[25]，通過在吸附劑中加入光熱材料，使吸附劑直接接收太陽(yáng)輻照進(jìn)行光-熱轉(zhuǎn)換，減少了熱量傳遞過程中的不均勻和損失等問題,但這時(shí)吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)將變得尤為重要，吸附劑需要將上層轉(zhuǎn)換的熱能傳遞到吸附劑下層.

3.2 傳質(zhì)能力

吸附床內(nèi)的傳質(zhì)問題關(guān)鍵在于吸附劑的形式.不考慮吸附劑自身動(dòng)力學(xué)，床層內(nèi)較理想的傳質(zhì)取決于水的有效擴(kuò)散率、床層導(dǎo)熱系數(shù)和吸附劑結(jié)構(gòu)[26].在顆粒狀的吸附劑中，如硅膠或沸石，顆粒越大，傳質(zhì)效果越好；顆粒越細(xì)，傳熱效果越好.對(duì)于可涂敷在材料表面的粉狀吸附劑(如MOFs)，吸附水蒸氣后外層膨脹的吸附層限制了向內(nèi)層傳質(zhì)，可以使用宏觀多孔材料如金屬泡沫或碳纖維作吸附床基質(zhì).吸濕性鹽的復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)在于吸濕鹽可以高效地將吸附的水分子轉(zhuǎn)移到內(nèi)層，又能將鹽固定，防止吸濕性鹽溶解在吸附的水中.

吸附床到冷凝器的傳質(zhì)是通過水蒸氣的濃度梯度進(jìn)行的.實(shí)驗(yàn)表明，即使冷源足夠的情況下，小型系統(tǒng)中傳質(zhì)速率依然低于解吸速率[8].通常每日單循環(huán)取水系統(tǒng)解吸時(shí)間都較長(zhǎng)，可以彌補(bǔ)傳質(zhì)緩慢的問題，但在每日多循環(huán)取水系統(tǒng)，尤其是連續(xù)運(yùn)行的取水系統(tǒng)中，傳質(zhì)效率則直接影響循環(huán)時(shí)間，間接影響了日產(chǎn)水量.

3.3 吸附劑的選擇

為基于吸附的空氣取水系統(tǒng)尋找合適的吸附劑是重要的研究工作之一.對(duì)于吸附式空氣取水系統(tǒng)，吸附劑應(yīng)該具有吸附量大、解吸溫度和能耗低、動(dòng)力學(xué)快、化學(xué)穩(wěn)定性好、循環(huán)穩(wěn)定性好和成本低等特點(diǎn)[27-28].然而，每種吸附劑都適用于某些特定環(huán)境條件[29]，所以在吸附劑的選擇依據(jù)上就存在優(yōu)先順序.當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件是選擇吸附劑的主要影響因素之一，不同的溫度、濕度需要選擇不同吸附等溫線的吸附材料.與此同時(shí)也要評(píng)估穩(wěn)定性、吸附動(dòng)力學(xué)和吸附劑的成本等問題，但此類問題優(yōu)先級(jí)低于吸附等溫線選擇條件.一般情況下，相同地區(qū)在不同季節(jié)的溫、濕度都在變化，選擇吸附劑時(shí)就要面臨是以一年中某天的最小供水量為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，還是以最大的年產(chǎn)量作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的問題.

同時(shí)，吸附床填充的吸附劑量也要考慮.吸附劑的量分為吸附劑總質(zhì)量和單位面積吸附劑的量.當(dāng)吸附劑的總量過高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)吸附劑解吸時(shí)間長(zhǎng)或解吸不充分的情況，進(jìn)而使日產(chǎn)水量下降[8].而單位面積的吸附劑量，即吸附劑厚度的不同會(huì)直接影響傳質(zhì)、傳熱[19].

3.4 冷凝熱源

最常用作冷凝熱源的就是環(huán)境空氣，水蒸氣冷凝所釋放的冷凝熱可以通過翅片等結(jié)構(gòu)傳遞給空氣.解吸速度受限于冷凝器的冷凝效率，水蒸氣冷凝速度越快，則空氣中的水蒸氣分壓力越低，越利于水蒸氣的解吸.而水蒸氣的冷凝速率則取決于換熱速率，水蒸氣溫度與冷凝器表面溫差越大，熱量傳遞速度越快.提高解吸溫度和降低冷凝器溫度是兩種有效改善冷凝器傳熱的方法.相比于提高解吸溫度，使用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的帕爾貼模塊[30]、相變材料儲(chǔ)存夜間冷量[8]、輻射冷卻[31]和使用土壤作為冷源[32-33]等方法，都可以低能耗、高效率地輔助降低冷凝器溫度，提高換熱效率.冷凝器的溫度越低，則取水循環(huán)時(shí)間越短，系統(tǒng)的產(chǎn)水效率就會(huì)越高[34].

3.5 滴狀凝結(jié)

水蒸氣在冷凝器內(nèi)液化，不斷在冷凝器內(nèi)表面上形成小水珠，這些形成的水珠起到了隔熱層的作用，降低了傳熱效率.因此，親水性的表面就不是很合適的選擇.此外，存在非冷凝性氣體的混合蒸氣冷凝特性與純蒸氣不同.空氣的存在減少了冷凝器上成核位置的數(shù)量，在液滴表面產(chǎn)生的擴(kuò)散阻力降低了液滴的生長(zhǎng)速率.在這種情況下，研究發(fā)現(xiàn)親/疏水結(jié)合的雜化表面的效果最優(yōu)，既為液滴的成核和生長(zhǎng)提供了位置和條件，又不會(huì)使液滴生長(zhǎng)過大，在冷凝器內(nèi)表面停留時(shí)間過長(zhǎng)，顯著提高了冷凝速度.利用毛細(xì)管壓力現(xiàn)象可以減小液滴的臨界直徑，提高液滴去除率[35].具有方向性的光滑紋理表面也能提高液滴成核率和去除率[36-37].

4 總結(jié)與展望

吸附式空氣取水系統(tǒng)可以使用不同類型的吸附劑以適應(yīng)不同環(huán)境的產(chǎn)水需求，在解決干旱地區(qū)缺水、農(nóng)業(yè)灌溉、災(zāi)后供水等問題方面都具有競(jìng)爭(zhēng)力.在系統(tǒng)中引入一些低品位的能源輔助解吸和冷凝過程，將極大地減少能源的消耗，既能提高效率又符合國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略.當(dāng)然，系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用上還有很多問題待解決，例如產(chǎn)出水是否能達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)，水中雜質(zhì)是否能去除干凈；由于吸附劑的成本普遍較高，產(chǎn)出一升水的單價(jià)是否能夠承受；系統(tǒng)所占空間大小是否影響運(yùn)輸和存放、設(shè)備的操作是否需要專業(yè)人員完成等；這些同樣是要面臨的考驗(yàn).隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，空氣取水將成為解決世界缺水難題的一種主要方式.