上海交大王如竹团队研究成果实现半干旱地区的大批量产水

  近日，上海交大王如竹教授领衔的ITEWA团队在Nature Communications发表题为Exceptional water production yield enabled by batch-processed portable water harvester in semi-arid climate的论文，通过一系列分析目前空气取水系统的优缺点及适用条件，从操作模式的角度弥合了吸附解吸动力学的差距，提出了新型“夜间批量吸附-日间逐个解吸”的批处理吸附-解吸模式。同时，根据高性能吸附剂以及取水系统的精心传热传质设计，应用该模式的便携式空气取水系统，实现了中国兰州半干旱气候下（日间最低相对湿度15%）单日311.69 g的高取水量。该论文第一作者是上海交大制冷与低温工程研究所博士研究生山訸。

  吸附式空气取水产量低，难以进行大规模和商业化利用，还在于受制于吸附材料在低湿度下有限的吸附量，粗糙的系统模块设计以及未经优化操作模式三个方面。文章采用氯化锂盐-水的热力学相图性质和线性驱动动力学模型，进行平衡吸附量和吸附动力学的预测和优化，开发了高性能氯化锂复合吸附剂材料。同时，为了更准确地评估实际半干旱气候中的实际吸附性能，文章表征了大片吸附剂（250 x 250 x 2 mm）在典型半干旱气候下的吸附与解吸性能，并比较了吸附和解吸的吸附动力学。作者发现，除了实际块状吸附剂相对于毫克级测试样品的吸附性能的降低以外，水捕获和释放速率之间有显著的不匹配，解吸速率远高于吸附速率。吸附的最大质量变化仅为解吸过程的最大变化量的1/10。为此作者设计了便携式电加热空气取水系统来进行传热传质的优化，并采用热栅格实现自然对流和辐射屏蔽，提高解吸和冷凝效率。

  常用空气取水操作模式（a）昼夜单循环；（b）连续式；（c）提出的批处理替换模式

  作者没有采用常见的昼夜单循环(a)和单吸附剂吸附-解吸的连续式(b)操作模式，而是提出了一种独特的批处理操作策略(c)：多片吸附剂在夜间同时暴露于高相对湿度的环境中以吸收水蒸气，然后在白天交替批处理以释放水，以充分的利用夜间高相对湿度环境，同时在白天全天保持高解吸率。在实际设备操作中，这种操作策略要求吸湿材料和取水装置的便携性、适应性和稳定能力。文章所采用的吸附剂具有扩大化生产，成本低且质量轻，稳定性高的特点，适合多块吸附剂同时制作与携带，可快速部署到实际应用中，而便携式和廉价的空气取水装置易被拆卸、重新组装和由单人携带。这些特点都使得该模式的单日高产水量成为可能。

  该空气取水装置在半干旱气候（中国甘肃兰州）进行实际测试，当地实验测试时最低相对湿度为15%。最终实现了单日311.69 g (311.69/day)的取水量，能耗为0.695 kWh （448.5 mL/kWh），突破了百克级的单日产水量。从整个装置水平来看，设备先进的热设计、避开使用复杂的辅助设备（如风扇、冷凝器），以及充分的利用解吸时间的批处理策略都共同贡献于如此高的取水量。最终，体积为5.6升、重量为3.2千克的便携式空气取水装置实现了超越百毫升的单日取水量，显示了整个装置在重量、空间和取水量方面的明显优势。在连续六日模拟兰州春秋季节、冬季以及夏季工况下的循环稳定性测试中，该空气取水装置实现了稳定的取水量。

  为了全面评估产水潜力，作者选择了全球干旱、半干旱和潮湿气候等典型气候地区，保守估计了每个气候下的产水量。受到环境相对湿度的显著影响，在英国伯明翰的湿润气候下能轻松实现超过1 L/day的取水量，而在撒哈拉沙漠的干燥季节每日产水量仅约150 mL。同时，预测表明除青藏高原、北非等地区外，在大多数地区，取水装置的产水潜力超过350毫升/天。

  吸附式空气取水技术是近年来兴起的在低湿度环境中获取饮用水的新颖技术，对于干旱地区、离网地区和紧急条件下获取饮用水具备极其重大的研究意义和应用价值。该工作有望为下一代空气取水系统提供从材料、器件设计到模式创新三方面的思路。