基于吸附/解吸式太陽能空氣取水設(shè)備的研究進(jìn)展

楊杰,林越,陳珍慧,汪新宇

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院,上海 201306)

水是人類及眾多生物賴以生存的基礎(chǔ)。研究表明,全球近40億人每年至少有一個(gè)月面臨著嚴(yán)重的水資源短缺問題[1]。為了應(yīng)對淡水資源短缺這一迫切問題,出現(xiàn)了3種主要的淡水處理收集技術(shù),即海水淡化[2]、廢水再利用[3]和空氣取水[4]。眾所周知,地球上的淡水也含有空氣中的水蒸氣,總量達(dá)13萬億升[5]。收集空氣中的水蒸氣,不僅節(jié)省了大量的勞動(dòng)力和能源成本,而且在地球上的廣泛領(lǐng)域顯示出廣泛的普遍性。此外,空氣中的水蒸氣含有更少的雜質(zhì)和細(xì)菌,從空氣中收集的水可以達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn),無需復(fù)雜的凈化和殺菌過程?？諝馊∷姆椒ò丛碇饕煞譃橹评浣Y(jié)露法[6],吸附/解吸法[7],聚霧取水法等[8]。其中吸附/解吸法主要利用吸濕材料從空氣中吸濕,然后高溫解吸。解吸水的理想能量來源則由太陽能提供。在吸附階段,對水分子具有高親和力的吸濕材料捕獲大氣中的水分子,并在表面或內(nèi)部結(jié)構(gòu)中富集水。經(jīng)過加熱,濃縮的水蒸氣從吸附材料中釋放出來,然后冷凝并收集為液態(tài)水。同時(shí)在水釋放后,吸附材料可以再生并在下階段重復(fù)使用。

近些年,針對吸附/解吸式空氣取水的研究得到快速發(fā)展,研究人員在探究先進(jìn)的吸附材料以提高產(chǎn)水效率方面投入了大量精力。雖然對于吸附/解吸式空氣取水,吸附劑具有不可否認(rèn)的重要性,但空氣取水設(shè)備也會(huì)影響大氣集水系統(tǒng)的性能。因此,在這篇綜述中,我們對現(xiàn)有的吸濕材料進(jìn)行簡單總結(jié),重點(diǎn)對空氣取水相關(guān)設(shè)備的發(fā)展進(jìn)行分類歸納,并對現(xiàn)有吸附/解吸式空氣取水設(shè)備待解決問題及未來研究的發(fā)展方向進(jìn)行了分析和展望。

1 吸濕材料的發(fā)展現(xiàn)狀

基于吸附/解吸的空氣取水方式中,吸附劑材料是決定取水設(shè)備性能及其適用環(huán)境條件的關(guān)鍵因素之一。理想吸濕材料應(yīng)具備廣泛適用的相對濕度范圍、高吸濕性能、快速吸附動(dòng)力學(xué)特性以及易于循環(huán)再生[9-10]。常見用于吸附/解吸式空氣取水的材料可以分為幾類:多孔納米固體、吸濕聚合物、鹽基復(fù)合材料和液體吸附劑。

1.1 多孔納米固體

多孔納米固體主要指具有均勻(亞)納米尺寸的孔的固體材料。由于其固有的孔結(jié)構(gòu)及其表面特性,當(dāng)被用于水吸附的時(shí)候,可以隨著某一特定溫濕度而發(fā)生顯著變化。傳統(tǒng)的多孔納米材料,如硅膠、沸石、活性炭等[11],它們被用于早期的空氣吸濕。其中硅膠作為日常生活中常用的吸附材料,它們主要通過氫鍵進(jìn)行吸附,具有低成本、無毒及良好的吸附動(dòng)力學(xué)等優(yōu)點(diǎn),但其總孔容小,吸濕能力有限;沸石被認(rèn)為是用于吸附/解析式空氣取水的第1種吸附劑,被廣泛應(yīng)用于吸附式實(shí)驗(yàn),但其具有高再生溫度和導(dǎo)熱性低等缺點(diǎn);活性炭表面具有疏水性,同時(shí)其內(nèi)部存在大量水分子難以接近的微孔。因此新型納米多孔材料的開發(fā)應(yīng)用受到更多的科學(xué)關(guān)注。

金屬有機(jī)框架(MOF)是一種特殊的多孔材料,之所以對吸附/解吸式空氣取水具有吸引力,是因?yàn)樗軌蚋鶕?jù)環(huán)境的需要,通過合理調(diào)節(jié)孔結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)高吸濕性能。同時(shí)它們還具有高孔隙率、高比表面積、低解吸焓等優(yōu)點(diǎn)。但為了進(jìn)一步推進(jìn)MOFs在吸附/解吸式空氣取水中的應(yīng)用,需要特別注意其水穩(wěn)定性。由于吸濕的應(yīng)用,MOF材料不可避免與水分子接觸,而水解會(huì)破壞金屬-配位鍵的結(jié)合,進(jìn)而使其結(jié)構(gòu)破壞。另一方面,MOF仍具有低導(dǎo)熱、低毒性、價(jià)格高昂,不適合商用等問題,還有待研究人員進(jìn)行探索解決。

1.2 吸濕聚合物

與多孔材料通過孔隙來吸附空氣中的水分不同,吸濕聚合物主要靠吸收來捕獲空氣中的水分,并存儲(chǔ)在聚合物主體。吸濕性能主要由聚合物網(wǎng)絡(luò)自身性質(zhì)決定。常見的聚合物主要以水凝膠為主,水凝膠自身機(jī)械性能較差、導(dǎo)熱性能較低,但其可以很容易地進(jìn)行改性或功能化,使其可以廣泛應(yīng)用于吸附/解析式空氣取水。通過與光熱材料(碳納米管、石墨烯)結(jié)合使用,提供給水凝膠支撐骨架,在提高水凝膠機(jī)械性能的同時(shí),可實(shí)現(xiàn)利用太陽能高效水解吸和吸附再生。

將吸濕性聚合物與響應(yīng)材料相結(jié)合是一種新型吸附/解吸式空氣取水材料[12]。這種將水分直接轉(zhuǎn)化為可收集液態(tài)水的方法為新型大氣集水器的設(shè)計(jì)為后續(xù)研究提供思路,后續(xù)也可以嘗試從光敏[13](螺吡喃)、磁敏親疏水轉(zhuǎn)換材料等角度進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)聚合物吸濕材料。

1.3 鹽基復(fù)合材料

吸濕鹽由于其成本低、吸濕性能高而在吸附/解析式空氣取水領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而,限制它們使用的一個(gè)缺點(diǎn)是潮解鹽會(huì)與吸附水結(jié)合成為鹽水,導(dǎo)致吸附動(dòng)力學(xué)降低、系統(tǒng)腐蝕和難以回收吸附劑。針對這一問題,目前主要的解決方案是將潮解鹽放入某一設(shè)定的基質(zhì)中,負(fù)載的鹽起到捕獲水分的作用,而基質(zhì)作為保存鹽溶液的容器。近年來,已經(jīng)進(jìn)行了大量研究以開發(fā)功能性宿主基質(zhì)以實(shí)現(xiàn)更好的集水性能,報(bào)道的基質(zhì)可分為多孔材料[14]、中空結(jié)構(gòu)材料[15]、纖維基材[15]和聚合物網(wǎng)絡(luò)[16]。

但無論是哪種基質(zhì),都不可避免的要考慮鹽泄露問題。目前針對鹽泄露問題,研究人員提出了以下解決辦法:(1)制備吸濕材料時(shí),通過調(diào)節(jié)鹽溶液濃度控制基質(zhì)中的載鹽量[17];(2)吸附過程中,通過控制環(huán)境濕度和吸濕時(shí)間來避免吸收太多水分[18];(3)使用疏水透氣涂層或膜將含鹽基質(zhì)包裹[19]。

1.4 液體吸附劑

液體吸附劑,由于其自身提供的平衡水蒸氣壓低于相同溫度下的自由水的平衡水蒸汽壓,從而可以連續(xù)從空氣中吸收水分[20]。常見的液體吸附劑有濃鹽溶液和離子液體[20-21]。其中濃鹽溶液中,LiCl、CaCl2的濃縮溶液應(yīng)用最廣泛[22]。由于它們具有較低的水蒸氣壓,使得它們可以從空氣中富集水分。然而,值得注意的是這些鹵化物鹽對金屬基系統(tǒng)具有固有的腐蝕性,必須進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),以克服長期實(shí)際應(yīng)用中的負(fù)面影響。另外,離子液體的吸濕性主要取決于陽離子和陰離子的類型,以及它們的相互作用強(qiáng)度[23-24]。研究人員可以通過選擇合適的陰陽離子來得到適用于吸附/解吸式空氣取水的吸附劑。但液體吸附劑的解吸過程比固體吸附劑需要更多的熱量,所以一般將液體吸附劑與定制的界面太陽能吸收劑相結(jié)合是充分利用材料的好方法[25]。

2 空氣取水設(shè)備

在開發(fā)新的吸濕材料的同時(shí),研究人員也引入了許多取水設(shè)備,主要根據(jù)吸附床的數(shù)量、每日的循環(huán)次數(shù)以及產(chǎn)水量對其進(jìn)行評估。通常,對于空氣取水設(shè)備,若吸附和解吸過程(即每日的循環(huán)次數(shù))受到日落與日出的影響,則為被動(dòng)型設(shè)備;反之,則為主動(dòng)型設(shè)備。另外現(xiàn)有的取水設(shè)備一般只有一個(gè)吸附床,大多系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)運(yùn)行的狀態(tài),部分研究人員通過增加吸附床的數(shù)量和同時(shí)運(yùn)行相位差來創(chuàng)建一個(gè)準(zhǔn)連續(xù)或連續(xù)的過程。因此,基于吸附/解吸式太陽能空氣取水系統(tǒng)也可以分為三大類,不連續(xù)型、準(zhǔn)連續(xù)型和連續(xù)型。

到目前為止,吸附/解析式空氣取水設(shè)備主要以被動(dòng)不連續(xù)型為主,研究人員正嘗試向主動(dòng)準(zhǔn)連續(xù)型、主動(dòng)連續(xù)型設(shè)備發(fā)展。

2.1 被動(dòng)不連續(xù)型

被動(dòng)不連續(xù)系統(tǒng),即吸附/解吸受日出日落影響,水在夜間被吸附,在白天進(jìn)行解吸脫附,每天進(jìn)行一次吸附-解吸循環(huán)。目前大多數(shù)空氣取水裝置都為被動(dòng)不連續(xù)型,同時(shí)部分類型取水裝置已經(jīng)可以被等比例放大應(yīng)用于大規(guī)?？諝馊∷?。到目前為止,被動(dòng)不連續(xù)系統(tǒng)根據(jù)吸附床與冷凝器相對位置的不同提出了兩種不同的結(jié)構(gòu)。

2.1.1 吸附床置于底部 該設(shè)備結(jié)構(gòu)與太陽能蒸發(fā)器相似[26],采用單層吸附床,且位于箱體底部,同時(shí)在箱體上端或側(cè)壁利用玻璃罩作為冷凝器進(jìn)行冷凝水。Kumar等[27]設(shè)計(jì)的取水設(shè)備則將吸附床置于了箱體底部,其中干燥劑材料(硅膠和木屑/CaCl2)設(shè)置在盒子底部的金屬絲網(wǎng)中,箱頂部由玻璃制成,傾斜角度為30°。在夜間,潮濕空氣進(jìn)入箱中,干燥劑材料能夠吸附空氣中的水蒸氣。白天,空氣不再被允許進(jìn)入,來自太陽輻射的熱能被用來提高溫度并解吸干燥劑材料,釋放水蒸氣,然后在玻璃蓋上冷凝收集。在印度氣候條件下,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,硅膠和木屑/CaCl2每天的產(chǎn)水量分別約為200,180 mL/kg。Fathieh等[28]使用吸附劑床周圍的反光罩將冷凝器移至側(cè)壁。該系統(tǒng)在夜間從沙漠空氣中捕獲水,并在白天暴露在陽光下時(shí)釋放捕獲的水。釋放的水蒸氣被吸附劑床的環(huán)境冷卻并在冷凝器上液化以進(jìn)行收集。這個(gè)收集周期一直持續(xù)到白天結(jié)束,然后下一個(gè)捕獲周期開始。為確保有效冷凝,使用紅外反射涂層將冷凝器單元的溫升降至最低。使用MOF-801后,這種被動(dòng)收割機(jī)的日均產(chǎn)水量約為0.1 L/kg吸附劑,適用的RH低至20%。

當(dāng)吸附床置于底部時(shí)(熱源放置在冷凝器下),在系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生對流換熱,這雖然便于水蒸氣冷凝,但同時(shí)也限制了床層吸附床的溫度。此外,向上的熱氣流和向下的冷氣流的相互干擾也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)顯著的能量損失。當(dāng)熱蒸氣碰到冷凝板(玻璃)后形成水滴也會(huì)減少了陽光的穿透。此外,由于玻璃導(dǎo)熱系數(shù)低,玻璃上的傳熱速率和蒸餾也受到限制。

2.1.2 吸附床置于頂部 在被動(dòng)不連續(xù)系統(tǒng)的另一種結(jié)構(gòu)中,吸附床位于裝置的頂部,冷凝器位于底部[16]。吸附床在夜間吸濕后,水經(jīng)陽光直射變?yōu)樗魵庥晌酱蚕蚩諝廪D(zhuǎn)移擴(kuò)散,最終在冷凝器凝結(jié)成水滴。

為了提高產(chǎn)水效率,研究人員通過優(yōu)化被動(dòng)不連續(xù)系統(tǒng)的能源利用,開發(fā)了一種雙級收集器來回收水的潛熱[29],它由透明蓋、太陽能吸收層、兩個(gè)平行組裝的吸附劑床和兩個(gè)冷凝表面組成。在夜間,吸附劑床暴露在空氣中以收集水。在白天,太陽能吸收層接收太陽輻射并加熱頂層吸附劑床以釋放濃縮的水蒸氣。當(dāng)水蒸氣在第一冷凝器表面冷凝時(shí),釋放的冷凝熱通過熱接觸傳遞到底部吸附劑層,并回收用于解吸。與改進(jìn)前傳統(tǒng)單層吸附床相比,優(yōu)化后的設(shè)備可以提高18%的產(chǎn)水量。

目前的實(shí)驗(yàn)裝置中,幾乎所有該類型裝置都是在非常小的尺度上建造的,然而,實(shí)驗(yàn)表明,即使在小裝置中,且有足夠冷源的情況下,傳質(zhì)速率也可能低于解吸速率。故若將其應(yīng)用在大型裝置中,更不能僅依靠質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)。因此,可能需要一種被動(dòng)或主動(dòng)的傳質(zhì)機(jī)制。

2.2 主動(dòng)準(zhǔn)連續(xù)型

目前針對吸附/解吸式空氣取水研究的設(shè)備大部分還是被動(dòng)不連續(xù)型。但也已經(jīng)有一些研究人員逐步對主動(dòng)準(zhǔn)連續(xù)型進(jìn)行探索。主動(dòng)準(zhǔn)連續(xù)型設(shè)備主要通過增加吸附床的數(shù)量和同時(shí)運(yùn)行相位差來實(shí)現(xiàn)空氣取水[30]。Xu等基于連續(xù)吸附的制冷系統(tǒng)的啟發(fā),研究了一個(gè)具有優(yōu)化傳熱和傳質(zhì)條件的多循環(huán)大氣集水原型[31]。該設(shè)備是由四個(gè)吸附床被組合形成一個(gè)矩形陣列,采用光伏風(fēng)扇產(chǎn)生強(qiáng)制空氣對流,實(shí)現(xiàn)協(xié)同傳熱傳質(zhì)增強(qiáng)吸附床的熱設(shè)計(jì)。最終設(shè)計(jì)的裝置1 d可實(shí)現(xiàn)8個(gè)吸附/解吸循環(huán)來提高水產(chǎn)量,達(dá)到2.12 L/kg吸附劑的產(chǎn)水量。作者最后還提出了通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)吸附和解吸的自動(dòng)轉(zhuǎn)換概念,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)取水,并提出了設(shè)備概念圖供其他研究人員參考。此外,Wu等也基于MOF材料設(shè)計(jì)了一種新型取水裝置[32]。該裝置由一個(gè)玻璃室組成,配有一個(gè)可拆卸和翻轉(zhuǎn)的吸附階段,上下部分由保溫材料PSF分隔,當(dāng)上部分封閉在進(jìn)行解吸時(shí),下部分暴露于空氣進(jìn)行大氣吸附水。在1個(gè)太陽照射下,該裝置在20% RH和298 K下表現(xiàn)出58 mL H2O/kgMOF/h。

對于主動(dòng)準(zhǔn)連續(xù)型設(shè)備,吸濕材料的吸濕能力不再是一個(gè)必需條件,而循環(huán)時(shí)間成為決定其效率的關(guān)鍵參數(shù)。通過優(yōu)化循環(huán)時(shí)間,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備日產(chǎn)水量的最大化。對于主動(dòng)準(zhǔn)連續(xù)型設(shè)備,吸附劑不再要求其達(dá)到飽和吸濕容量。系統(tǒng)的吸濕能力受循環(huán)周期的影響而發(fā)生變化,即最優(yōu)循環(huán)周期時(shí)間越短,系統(tǒng)的吸濕能力越大。因此,更快的吸附/解吸動(dòng)力學(xué)優(yōu)先于最終吸附劑容量。

在自然條件下工作,吸附/解吸式空氣取水設(shè)備的吸附動(dòng)力學(xué)與解吸動(dòng)力學(xué)將不是一成不變的。其中吸附動(dòng)力學(xué)主要受空氣溫度和相對濕度的影響。但1 d中,設(shè)備工作環(huán)境的溫濕度的變化幾乎不是線性變化的。而解吸動(dòng)力學(xué)也受進(jìn)入系統(tǒng)的能量和冷凝器溫度的影響。因此,對于主動(dòng)準(zhǔn)連續(xù)型設(shè)備,在使用太陽能提供熱源的情況下,由于兩個(gè)因素時(shí)刻變化,所以導(dǎo)致設(shè)備無法找到最優(yōu)的固定循環(huán)時(shí)間,必須通過測量入口溫度、相對濕度和冷凝器溫度來實(shí)時(shí)確定循環(huán)時(shí)間。這需要一個(gè)能源密集型的控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。

在主動(dòng)準(zhǔn)連續(xù)系統(tǒng)中,冷卻吸附床以啟動(dòng)吸附過程是另一個(gè)需要考慮的重點(diǎn)。吸附過程中床層溫度越低,相應(yīng)的吸附量和吸附速率也會(huì)隨之提高。目前主要利用空氣熱交換器來冷卻吸附床,在吸附過程開始時(shí),床層溫度略高于環(huán)境溫度,通過床層表面的新風(fēng)會(huì)將吸附熱從系統(tǒng)中排出。為實(shí)現(xiàn)開關(guān)冷卻床的需要,意味著在能源密集型系統(tǒng)中還要設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)冷卻吸附床模塊,這樣會(huì)需要更多的外圍設(shè)備。除利用熱交換器來冷卻吸附床外,研究人員利用特殊保溫隔熱材料將吸附室與解吸室隔離,使吸附室與解吸室工作溫度互不干擾,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)吸附床的在相對陰暗環(huán)境下正常啟動(dòng)[33]。

2.3 主動(dòng)連續(xù)型

目前針對主動(dòng)連續(xù)型設(shè)備的研究并不算多,該型設(shè)備較前文主動(dòng)準(zhǔn)連續(xù)型設(shè)備而言,通過改進(jìn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),僅在同一吸附床上就可以實(shí)現(xiàn)吸附過程與解吸過程同時(shí)進(jìn)行。其主要分為兩種類型:其中一種主動(dòng)連續(xù)型設(shè)備為固體吸附床所設(shè)計(jì)。Li等首次提出的一個(gè)吸附/解吸式空氣取水主動(dòng)連續(xù)系統(tǒng)[33]。在該系統(tǒng)中,吸附劑被加載在一個(gè)旋轉(zhuǎn)圓筒上,圓筒由步進(jìn)電機(jī)提供不同轉(zhuǎn)速,旋轉(zhuǎn)圓柱體的頂部部分暴露在陽光和冷凝室中以釋放水,而底部部分暴露在環(huán)境中以收集水蒸氣。該設(shè)備的產(chǎn)水性能與圓筒旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)。如果旋轉(zhuǎn)速度太快,吸附劑表面溫度降低,解吸速率也會(huì)降低。若圓筒旋轉(zhuǎn)速度太慢,頂部部分的吸附劑由于長時(shí)間暴露在陽光下,會(huì)將相鄰的吸附劑也附帶加熱,因此在進(jìn)入冷凝室之前不能夠吸附更多的水,同時(shí)也會(huì)提前釋放水,從而導(dǎo)致產(chǎn)水率降低。同種吸附劑下,該設(shè)備產(chǎn)水率雖不如基于批次的取水設(shè)備,但為大型自動(dòng)化連續(xù)取水設(shè)備提供了可能的解決方案。

另一種主動(dòng)連續(xù)設(shè)備是專門為液體吸附劑提出設(shè)備方案。液體吸附劑可以同時(shí)進(jìn)行吸附和解吸,提高了系統(tǒng)的循環(huán)速率。Qi等基于液體吸附劑所設(shè)計(jì)的裝置中[34],中心是解吸區(qū),另一部分與大氣相連,液體吸附劑從大氣中吸收水分。在解吸區(qū),液體吸附劑的表面漂浮著界面太陽能吸收劑。由于壓力差和濃度梯度,蒸汽被液體吸附劑從空氣中吸收并轉(zhuǎn)移到中心區(qū)域,然后吸收器通過吸收太陽能來加熱溶液,液體吸附劑中的水蒸發(fā)。最后,水蒸氣接觸到冷壁并被收集。該設(shè)備主要注意吸附速率和解吸速率的匹配問題。由于外界實(shí)際環(huán)境變化,二者速率會(huì)很難正好匹配,且不易調(diào)節(jié)。

3 結(jié)語和展望

空氣中的水分逐漸成為解決全球淡水資源匱乏問題的主要來源。同時(shí)基于吸附/解吸式空氣取水也受到廣泛關(guān)注。在探究先進(jìn)的吸附材料以提高產(chǎn)水效率的同時(shí),我們也應(yīng)對相應(yīng)的取水設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。對于取水設(shè)備而言,被動(dòng)非連續(xù)系統(tǒng)需要吸濕能力更好的吸濕材料、較少的能源和外圍設(shè)備以及更精確的設(shè)計(jì);相比之下,主動(dòng)準(zhǔn)連續(xù)和主動(dòng)連續(xù)型系統(tǒng)則需要更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可能還需要輔助能量輸入。目前,對于取水設(shè)備的研究已經(jīng)取得了一些成就,但是為了推進(jìn)吸附/解吸式空氣取水技術(shù)早日實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室研究到規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用,未來仍需要在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究。

(1)對于被動(dòng)非連續(xù)系統(tǒng),除要考慮吸濕材料的最大吸濕容量,還應(yīng)對設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)改進(jìn)(吸附床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化),進(jìn)而提高整體傳熱傳質(zhì)效率。

(2)對于主動(dòng)準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)系統(tǒng),通過合理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少復(fù)雜的外圍控制設(shè)備,同時(shí)也要考慮設(shè)備整體的能耗。