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為了解決干旱問題，當(dāng)今的科學(xué)家也在不斷努力。在所有的水源中，空氣中的水由于受地理環(huán)境的限制小、水生產(chǎn)過程中對(duì)環(huán)境的影響小，一直深受科研人員的青睞。特別是太陽能等可再生能源驅(qū)動(dòng)的空氣取水技術(shù)備受期待。即使現(xiàn)代空氣取水技術(shù)已經(jīng)被研究了半個(gè)多世紀(jì)，但是成本低、能效高、規(guī)?；揖哂袕V泛氣候適應(yīng)性的太陽能空氣取水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍然是全球性的難題。隨著近三年在空氣取水技術(shù)相關(guān)的吸附材料、輻射制冷及冷凝強(qiáng)化等領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，空氣取水的實(shí)用化出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)并再次成為研究熱點(diǎn)【1~2】。在與本文第一作者涂耀東博士和通訊作者王如竹教授交流之后，今天小編幫大家分析一篇最近剛發(fā)表在Joule期刊上的空氣取水技術(shù)的綜述與展望論文【3】，為相關(guān)的材料學(xué)家、化學(xué)家、熱科學(xué)家、水環(huán)境專家提供研究參考。

水資源短缺仍然是本世紀(jì)亟需解決的全球性問題之一。當(dāng)前人們優(yōu)先關(guān)注的地表水（江河湖）、地下水及雨水等常規(guī)水源的取用通常受限于地理位置及氣候類型。而空氣中蘊(yùn)含著豐富水資源（云、霧、水蒸汽）且基本不受地理環(huán)境制約（干旱的沙漠地區(qū)的空氣中仍然含有可觀的水蒸汽）。但是空氣取水技術(shù)卻因成本高一直未得到足夠重視。隨著近年來相關(guān)的材料、器件及系統(tǒng)的重大創(chuàng)新，太陽能驅(qū)動(dòng)的空氣取水方法再次引起了廣泛關(guān)注，科學(xué)家紛紛預(yù)言這項(xiàng)技術(shù)即將走入尋常百姓家。

大地旱夸父逐日，千年長嘆留漠北。

太陽能空氣取水，世紀(jì)宏愿露曙光。

今日，來自上海交通大學(xué)的王如竹教授團(tuán)隊(duì)基于課題組二十多年的空氣取水研究【4~8】，聚焦空氣取水技術(shù)做了一項(xiàng)及時(shí)的綜述與展望研究，在Joule上發(fā)表了題為“Progress and expectation of atmospheric water harvesting”的綜述文章。該文從歷史和技術(shù)兩個(gè)角度出發(fā)，全面描述了不同空氣取水技術(shù)路線的工作原理、優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)、尚存的技術(shù)挑戰(zhàn)及可能的解決方案，并針對(duì)高效、低成本并可規(guī)模化的太陽能空氣取水系統(tǒng)的構(gòu)建方法進(jìn)行了深入討論。為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者、甚至只是對(duì)該技術(shù)感興趣的一般公眾提供了一個(gè)快速了解該技術(shù)進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢(shì)的參考。

該文指出目前空氣取水的價(jià)值主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是可滿足干旱或半干旱地區(qū)的人畜飲水及可持續(xù)農(nóng)業(yè)用水的需求；二是可構(gòu)建多層次的離散化水源，作為水資源缺乏地區(qū)的補(bǔ)充供水方式，降低綜合供水成本；三是可作為一種高效的、成本可接受的移動(dòng)水源，滿足災(zāi)后應(yīng)急（地震或水污染）、野外生存（行軍或旅游）和移動(dòng)餐飲車（展覽或賽事）等對(duì)清潔供水的需求。該文將空氣取水的技術(shù)路線分為三大類：直接收集（集霧法、冷凝法）、濃縮收集（吸附法和膜分離法）和復(fù)合收集（空調(diào)取水一體機(jī)等）。同時(shí)給出了評(píng)價(jià)上述技術(shù)路線的五個(gè)判據(jù)（高效、廉價(jià)、可擴(kuò)展、寬工況、長壽命）和三項(xiàng)性能指標(biāo)（單位太陽能集熱器面積對(duì)應(yīng)的取水量SWP、取水綜合能耗水平SEC及濕空氣中的水捕集率RR）。接著，該文總結(jié)了制約空氣取水系統(tǒng)能效的四個(gè)基礎(chǔ)性問題，即：如何獲得廉價(jià)冷源并有效降低冷凝溫度、如何對(duì)水蒸氣進(jìn)行高效濃縮從而提高露點(diǎn)溫度、如何進(jìn)行高效的熱回收設(shè)計(jì)和如何針對(duì)不同的氣候帶及不同的應(yīng)用需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。

文章最后強(qiáng)調(diào)了太陽能空氣取水技術(shù)對(duì)未來的水-能源-食物間的交互關(guān)系可能帶來的變革性影響，比如更節(jié)水的電力生產(chǎn)方式、更進(jìn)一步展望了空氣取水技術(shù)在蒸發(fā)冷卻（電子器件冷卻、熱電廠冷卻和建筑被動(dòng)冷卻）領(lǐng)域的應(yīng)用，這必將極大地?cái)U(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域并引起更廣泛關(guān)注。

圖1. 集霧取水. (a）常規(guī)集霧網(wǎng);（b）無交聯(lián)垂直密排細(xì)線網(wǎng);（c）仿生蜘蛛網(wǎng)。

常規(guī)集霧網(wǎng)(圖1a)結(jié)構(gòu)簡單但取水效率低，原因是：一方面，纖維上凝結(jié)的小水滴容易被風(fēng)吹走，另一方面，水滴向下流動(dòng)過程中不斷聚集最終堵塞網(wǎng)孔。解決的基本思路是提高網(wǎng)對(duì)霧的捕集能力并降低網(wǎng)對(duì)向下流動(dòng)水滴的釘扎力。其中，無交聯(lián)垂直密排細(xì)線網(wǎng)(圖1b)和仿生蜘蛛網(wǎng)(圖1c)是兩個(gè)代表性的技術(shù)解決方案。

圖2. 基于吸附/吸收的太陽能空氣取水裝置. (a) 傳統(tǒng)溫室結(jié)構(gòu)蒸餾器；(b)吸附床嵌套于冷凝器中的蒸餾器；(c) 三明治式空氣取水器；(d)規(guī)?；諝馊∷到y(tǒng)。

基于吸附/吸收的空氣取水技術(shù)(圖2)的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠直接利用太陽能，而且系統(tǒng)容量可大可小。其基本原理是夜間利用干燥劑從空氣中吸收水蒸氣，接著在白天利用太陽能加熱干燥劑將水蒸氣脫附出來，并通過冷凝將水蒸氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)水。最后一步與直接冷凝取水的原理完全相同。該技術(shù)的難點(diǎn)在于優(yōu)化吸附/脫附過程中的熱質(zhì)傳遞速率和效率。傳統(tǒng)蒸餾器(圖2a)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但是以玻璃蓋板充冷凝器，冷凝溫度高而導(dǎo)致取水能力較低。嵌套式的蒸餾器(圖2b)雖然可提高取水量，但是單位體積的取水量較低。三明治式的空氣取水器(圖2c）可顯著改善吸附床的熱質(zhì)傳遞速率，但是單位集熱器面積的取水量SWP較小。規(guī)模化空氣取水系統(tǒng)(圖2d)能夠根據(jù)需要，對(duì)取水能力進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，也更容易形成一系列的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。但是相比于前三者，規(guī)?；娜∷到y(tǒng)需要與太陽能熱和很少的太陽能電結(jié)合，其中太陽能電用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)空氣強(qiáng)制流動(dòng)。如果采用被動(dòng)式熱設(shè)計(jì)，規(guī)?；∷到y(tǒng)也可以不依賴電力。

圖3. 不同空氣取水技術(shù)路線分類。

根據(jù)冷凝前對(duì)水蒸氣的不同處理方式，可將空氣取水技術(shù)路線分為三類(圖3)：直接收集、濃縮收集和復(fù)合收集。直接收集是指不對(duì)濕空氣進(jìn)行預(yù)處理，直接通過凝結(jié)過程將濕空氣中的水分轉(zhuǎn)化為液態(tài)水。濃縮收集是指首先通過預(yù)處理過程將濕空氣中的水分進(jìn)行濃縮，提高其露點(diǎn)溫度，以提高后續(xù)冷凝過程的取水量。復(fù)合收集是指將空氣調(diào)節(jié)功能與空氣取水功能進(jìn)行結(jié)合，在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)，通常適用于炎熱潮濕的沿海沙漠氣候。

表一. 不同空氣取水技術(shù)路線的比較

通過對(duì)不同技術(shù)路線的分析（表一），該文總結(jié)了制約空氣取水系統(tǒng)能效的四個(gè)基礎(chǔ)性問題，即：如何獲得廉價(jià)冷源并有效降低冷凝溫度、如何對(duì)水蒸氣進(jìn)行高效濃縮從而提高露點(diǎn)溫度、如何進(jìn)行高效的熱回收設(shè)計(jì)和如何針對(duì)不同的氣候帶及不同的應(yīng)用需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。并就該四個(gè)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理。

輻射制冷是一種簡單有效的獲取低溫冷源的方法。但是傳統(tǒng)的輻射制冷器通常只能在夜間獲得低于環(huán)境溫度的表面溫度，而且單位面積的制冷量相對(duì)較小，難以規(guī)?；瘧?yīng)用。然而，在過去的五年中隨著先進(jìn)輻射材料的快速發(fā)展，高效的輻射制冷器也已取得了突破性進(jìn)展?？稍诎滋鞂?shí)現(xiàn)輻射制冷，最大溫差可超過60℃，最大制冷功率可超過100W/m²。

圖4. 輻射制冷器. (a) 首次實(shí)現(xiàn)白天輻射制冷的輻射涂層；(b) 目前獲得最大制冷溫差的發(fā)射涂層；(c)  目前獲得最大制冷溫差的制冷器結(jié)構(gòu)；(d) 目前獲得最大制冷溫差的制冷器性能曲線。

圖5. 幾種典型干燥劑的25℃等溫吸附線。

基于吸附的空氣取水系統(tǒng)的取水能力既取決于干燥劑本身，也受環(huán)境相對(duì)濕度影響。根據(jù)相對(duì)濕度的大小，通?？梢詫h(huán)境工況分為干旱、潮濕和成霧三類(圖5)。最常用的干燥劑是硅膠和沸石13X，但是前者捕集水蒸氣的能力低，后者脫附水蒸氣相對(duì)困難。當(dāng)前，具有高吸水能力的金屬有機(jī)骨架化合物(MOF)和吸濕鹽-多孔基質(zhì)復(fù)合材料是兩種有效的新型高性能吸附劑。其中，最引人關(guān)注的是適用于干旱氣候區(qū)的高性能吸附劑。此外，考慮到空氣取水在未來有望廣泛應(yīng)用在蒸發(fā)冷卻上，適用于潮濕氣候區(qū)的吸附劑同樣值得重視。特別是考慮到，同一個(gè)地方在全年范圍內(nèi)的氣候通常會(huì)在干旱和潮濕之間擺動(dòng)，而且即使是沙漠地區(qū)其晝夜氣候變化大(溫差大，相對(duì)濕度變化大)，白天干燥而夜里是相對(duì)潮濕的，因此在干旱和潮濕氣候下均能夠高效吸附水蒸氣的干燥劑具有最大的發(fā)展?jié)摿?。吸附空氣取水?yīng)該考慮全年和日夜氣候的變化獲得最大取水量作為吸附劑的選擇原則。

圖6. 三種典型的高性能MOF類吸附劑設(shè)計(jì)策略。

MOF材料具有良好的孔結(jié)構(gòu)和理想的調(diào)控性，因此受到廣泛關(guān)注。高性能MOF類吸附劑的設(shè)計(jì)策略包括(圖6)：(a) 采用籠體積更大的LTA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來取代AlPO4原本的CHA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而在基本不改變孔徑大小的情況下顯著提高干燥劑的吸水能力。(b) 減小回滯并最大化孔體積是理想干燥劑的典型特征，對(duì)應(yīng)的吸附劑的理想孔徑是水分子的臨界毛細(xì)直徑。但是眾多MOF材料的窗口孔徑通常大于水分子的臨界毛細(xì)直徑，一個(gè)巧妙的策略是合理選擇金屬位點(diǎn)材料，使其能夠通過絡(luò)合反應(yīng)在目標(biāo)相對(duì)濕度區(qū)間外吸附一定量的水分子，從而將孔徑縮小至臨界毛細(xì)直徑。(c) 采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似的低毒性金屬元素取代高毒性金屬元素，構(gòu)建更廉價(jià)、更安全、更環(huán)保的綠色吸附劑。

圖7. 兩種典型的膜分離技術(shù)。

除了可以采用干燥劑濃縮水蒸氣，還可以利用選擇滲透膜（圖7a~b）以及電化學(xué)膜(圖7c~e)從濕空氣中分離出高純度的水蒸氣，然后將水蒸氣冷凝成液態(tài)水，從而降低空氣取水的能耗。

針對(duì)如何構(gòu)建高效、低成本并可規(guī)?；奶柲芸諝馊∷到y(tǒng)，該文指出太陽能驅(qū)動(dòng)的基于吸附的主動(dòng)式冷凝取水技術(shù)具有最大的發(fā)展?jié)摿?，因?yàn)槠渚哂邢到y(tǒng)緊湊、效率高和廣泛的適應(yīng)性等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，為了構(gòu)建實(shí)用性的該類基于吸附的太陽能空氣取水系統(tǒng)，該文從如何解決上文提到的四個(gè)基礎(chǔ)性問題出發(fā)，提出了四個(gè)非常有價(jià)值的解決思路和研究方向：

要點(diǎn)：（1）基于吸附的太陽能空氣取水系統(tǒng)具有極高的發(fā)展?jié)摿?，該文指出其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于匹配干燥劑的再生溫度與水蒸氣的冷凝溫度(圖8a)；

要點(diǎn)：（2）作者提出一種適用于空氣取水的理想吸附劑的特征：對(duì)溫度具有較高敏感度，在低溫時(shí)（<40℃，吸附過程）平衡吸附量隨相對(duì)濕度增加而快速增大；高溫時(shí)（>40℃，脫附過程）平衡吸附量迅速降低且基本保持不變(圖8b)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，空氣取水過程中的吸附溫度通常低于40℃，而脫附溫度則高于40℃。

圖8. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及理想吸附劑的特征。

圖9. 高效冷凝器設(shè)計(jì)。

要點(diǎn)：（3）開發(fā)高效的冷凝器。綜合運(yùn)用冷凝強(qiáng)化技術(shù)以及先進(jìn)的低溫冷源生產(chǎn)技術(shù)，設(shè)計(jì)能夠?qū)⑺魵飧咝мD(zhuǎn)化為液態(tài)水的冷凝器。比如，帶熱回收的水冷冷凝器可提高冷凝效率（圖9a）、地埋管換熱器可提供10~16℃的冷卻水（圖9b）、高儲(chǔ)能密度的蓄冷材料可高效利用晝夜溫差來產(chǎn)生25~30℃的冷卻水（圖9c）、基于熱虹吸效應(yīng)的平板式輻射制冷器即使在白天也能夠提供5~10℃的冷卻水（圖9d）。

圖10. 規(guī)?；柲芸諝馊∷到y(tǒng)設(shè)計(jì).（a）帶熱回收設(shè)計(jì)的、太陽能熱水驅(qū)動(dòng)的空氣取水系統(tǒng)，夜間吸附水蒸氣、白天脫附水蒸氣并將其冷凝成液態(tài)水；（b）太陽能光伏驅(qū)動(dòng)的空氣取水系統(tǒng)，類似于傳統(tǒng)的除濕機(jī)式空氣取水機(jī)，但是由于蒸發(fā)溫度高、冷凝溫度低，其能效顯著高于傳統(tǒng)的除濕機(jī)。兩個(gè)系統(tǒng)中所用的吸附床均是表面噴涂有干燥劑的儲(chǔ)濕換熱器。

要點(diǎn)：（4）干燥劑在吸附和脫附過程中的熱質(zhì)傳遞是這類系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。涂覆干燥劑的儲(chǔ)濕換熱器【9】不僅能夠高效地從濕空氣中捕集水蒸氣而且能夠在較低的熱源（制冷劑的冷凝熱）溫度下釋放出水蒸氣。因此，基于儲(chǔ)濕換熱器的空氣取水系統(tǒng)不僅能耗低，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可以適合太陽能空氣取水的規(guī)?；瘧?yīng)用。

• 利用時(shí)間軸，對(duì)不同空氣取水技術(shù)路線的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了詳細(xì)梳理；

• 系統(tǒng)地分析了不同空氣取水技術(shù)路線的工作原理、存在挑戰(zhàn)及未來發(fā)展趨勢(shì)；

• 比較分析了不同空氣取水技術(shù)的能耗水平及能源利用效率，并對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望；

• 指出基于吸附效應(yīng)的太陽能空氣取水技術(shù)具有更好的規(guī)?；瘧?yīng)用潛力，并提出了兩種分別采用光熱和光伏驅(qū)動(dòng)的新型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

通過對(duì)空氣取水技術(shù)的清晰梳理，相信讀者已經(jīng)跟小編產(chǎn)生了同樣的感慨：今日的科學(xué)家們已無限接近夸父的夢(mèng)想，但是卻走在了完全相反的方向上?，F(xiàn)代的我們當(dāng)然不會(huì)將太陽視為人類的敵人，也不必讓太陽聽我們的話，但是我們卻找到了太陽能空氣取水這種更美好的方法去解決人類綿延至今的缺水問題。

論文DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.07.015

通訊作者-王如竹教授

上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所所長、教育部太陽能工程研究中心主任，迄今發(fā)表SCI論文561篇（其中ESI高被引論文15篇），引用量13,479次，H指數(shù)53，獲得過2017年度全球高被引學(xué)者，2014年度國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、2010年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、2009年度國家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)，以及英國制冷學(xué)會(huì)頒發(fā)的2013年度國際制冷金牌J&E Hall Gold Medal、中日韓三國制冷學(xué)會(huì)聯(lián)合頒發(fā)的2017年度亞洲制冷學(xué)術(shù)獎(jiǎng)Asian Academic Award、日本傳熱學(xué)會(huì)頒發(fā)的2018年國際熱科學(xué)紀(jì)念獎(jiǎng)Nukiyama Memorial Award。

第一作者-涂耀東博士

上海交通大學(xué)博士后，師從王如竹教授。目前主要從事水蒸氣和二氧化碳高效吸附劑的設(shè)計(jì)與表征方法、吸附劑類多孔介質(zhì)的熱質(zhì)傳遞機(jī)理及其在能源生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換過程中的應(yīng)用研究。迄今以第一作者發(fā)表SCI論文6篇，申請(qǐng)發(fā)明專利7項(xiàng)，獲得2017年國際能源署熱泵會(huì)議最佳學(xué)生獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，2018年上海交通大學(xué)優(yōu)秀博士論文提名獎(jiǎng)，2018年上海交通大學(xué)海外博士后師資儲(chǔ)備項(xiàng)目資助及2018年中國博士后基金會(huì)面上項(xiàng)目資助。

ITEWA （Innovative Team for Energy, Water & Air）是由王如竹教授創(chuàng)建并領(lǐng)導(dǎo)的前沿科學(xué)問題研究團(tuán)隊(duì)，聚焦于能源轉(zhuǎn)換與效率、水及空氣處理等領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)問題。通過學(xué)科交叉分別從材料、器件和系統(tǒng)層面提出整體解決方案，從而推動(dòng)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域快速地取得突破性進(jìn)展。目前的研究方向包括：高效無霜空氣源熱泵技術(shù)、規(guī)?；柲芸諝馊∷夹g(shù)、太陽能濕泵（空調(diào)）墻、超高儲(chǔ)熱密度蓄能技術(shù)、MOF能源材料及水合鹽復(fù)合吸附劑的合成及表征技術(shù)、仿生熱濕調(diào)控技術(shù)等。

課題組所在的中意綠色實(shí)驗(yàn)室是一座由意大利政府贊助、中意聯(lián)合設(shè)計(jì)的綠色建筑，獲得LEED金牌認(rèn)證。整棟建筑集成了太陽能光伏空調(diào)、直膨式地?zé)嵩礋岜?、小溫差風(fēng)機(jī)盤管、太陽能熱水吸附制冷機(jī)及智能家居等多項(xiàng)綠色能源技術(shù)。