上海交大ITEWA团队Joule :吸附式空气取水展望

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近年来,气候变化导致冰川退化、河流衰竭、湖泊萎缩,世界淡水资源总量不断减少,总人口数量不断剧增,到2025年2/3的世界人口将面临严峻的缺水压力。因此,水资源短缺问题亟待解决。现有的解决方案,主要有海水淡化、污水回收、空气取水等。前两者强烈依赖于现有水源,且系统复杂、维护困难;由此,后者——空气取水,作为一种广泛适用、轻便洁净的节能取水技术,逐渐成为国内外学者研究的热点。典型的空气取水,主要包括雾捕集、露水收集、压缩式冷凝取水及吸附式空气取水等。前三者受限于气候条件,只有当空气湿度极高时,才具有可观的取水效率。吸附式空气取水,依靠吸附剂的吸附-解吸过程收集到冷凝水,具有非常宽的湿度适用窗口,有望解决绝大部分干旱地区的全年供水问题。而目前的研究,主要关注空气取水用吸附剂材料本身的平衡吸附性能、动力学吸附解吸性能等,而系统的传热传质性能、冷凝器的冷凝效果、材料的经济成本、环保安全性、制备难度等关键问题却被忽略。
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【内容简介】
近日,上海交通大学王如竹教授领衔的能源-空气-水ITEWA创新团队(Innovative Team for Energy, Water & Air)在能源材料领域顶级期刊Joule上发表了题目为“Adsorption-based atmospheric water harvesting”的评述性论文。该论文从材料到系统层面,介绍了目前吸附式空气取水领域的吸附剂材料、取水系统、取水应用、驱动能源和环境影响等发展现状;从传热传质、吸附剂选型、冷源和冷凝设置等角度出发,阐述了决定取水性能的关键因素;从生活用水、农业用水、工业用水等应用场景,提出了空气取水市场化的发展方向和策略;最后从优选材料、解吸热源、冷凝冷源等方面指出了吸附式空气取水面临的机遇和挑战。

【序言】
水资源短缺和人口增加的矛盾日益严峻,发展高效节能、实用安全的取水技术势在必行。在众多的节水取水方法中,吸附式空气取水技术因其不依赖于水源、可利用低品位能源、轻便洁净等优点,引起了国内外学术界的广泛关注。一系列适用于不同应用场景的新型吸附剂材料应运而生。如MOF、COF、水凝胶、纳米核壳碳球填氯化锂等,经过合成、表征和测试,其优越的吸附性能得到认可。然而,吸附剂材料的良好性能,只能决定取水的适用场景,并不能保证取水系统的实际效果,系统部件的传热传质性能与材料特性同等重要。而目前关于吸附式空气取水的研究着重关注吸附剂材料的吸附、解吸性能,忽略了材料成本、环保安全以及系统性能、结构设计等方面的影响。

因此,本文的重要内容,在于阐述吸附式空气取水系统从材料到装置的完整结构和工作流程,指出系统吸附、解吸、冷凝、收集各部件的特性和功能,找出影响实际取水效果的关键因素(吸附剂性能、解吸热源、冷凝冷媒、装置传热传质性能等),并对症下药提出对于不同应用场景、提高吸附式空气取水性能的可行方案。
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图1 吸附式空气取水系统原理示意图

【核心内容】
吸附式空气取水系统的五大要点
对于一个完整的吸附式空气取水系统,其五大要点分别为:吸附剂材料、装置结构、应用、驱动能源和环保安全性。

目前已开发的吸附剂主要分为四类,分别是:基于物理吸附的传统固体吸附剂,如硅胶、沸石等;具有理想孔道结构的新型聚合物吸附剂,如MOF、水凝胶等;以吸湿盐为主的化学吸附剂,如氯化钙、氯化锂等;多孔基质与吸湿盐结合的复合吸附剂,如活性炭纤维毡填氯化锂,碳纳米球填氯化锂等。不同的吸附剂材料适用于不同的温湿度环境,一般根据材料本身的平衡吸附性能、动力学吸附解吸性能来确定其应用场景和适用装置结构。
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图2. 太阳能驱动的不连续被动吸附式空气取水系统

材料学家通常强调某种吸附剂材料在一个吸附解吸循环的取水量,可能忽略了材料成本、装置设计等方面对实际取水性能的影响。实际上,装置在日循环次数、主动或被动方式、吸附床个数等方面的设置至关重要。现有的取水系统主要分为两种运行策略:其一是被动式的取水系统,吸附剂夜晚吸附白天解吸(图2所示);其二是主动式的多循环系统,每天进行多次的吸附解吸循环工作(图3)。对于不连续运行的单次循环系统,影响取水效果的决定性因素是材料的吸附容量;而对于带储能模块的多循环系统,其关键因素是材料的动态吸附性能和装置结构的传热传质性能。
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图3. 多循环吸附式空气取水系统

吸附式空气取水系统适用范围广,可用于解决生活饮用水、工业用水、农业灌溉用水等不同应用场景的水资源供给问题。不过,需要注意的是,针对不用的应用场景和取水要求,需要定向选择合适的吸附剂类型,搭建满足要求且保证性能最佳的整体装置。例如:吸附剂的种类、装置解吸温度、装置传质类型等,均会对最终产物——冷凝水的质量有所影响。对于农业用水,对水质要求相较饮用水更低,故可适当放宽为保证水质对吸附剂选型方面的定向要求。又比如,工业用水一般用于机械设备水质要求低的冷却水供给等,机械生产的工业余热可用作取水系统的解吸热源,而供给的冷却水可用作其冷凝换热媒介。由此,在设计取水装置时,则需考虑满足该类冷热源设置和低水质要求的最优系统结构。

另外,从配置的驱动能源和环保安全等角度出发,也一定程度上决定整个吸附式取水系统的结构,影响最终实际取水效果。例如,当太阳能用作解吸驱动热源时,太高的解吸温度难以实现,则需要选择解吸温度要求低的吸附剂,和光热吸收效果好的装置。再比如,当取水系统需应用在干旱、多沙尘的沙漠地区,则需要考虑高温低湿地区的合适吸附剂和防风防尘的整体结构。

系统设计的关键点
根据对吸附式空气取水系统的整理和剖析,本文阐述了影响系统取水效果的几大关键因素——系统的传热传质性能、吸附剂的合理选型、冷凝换热媒介设置以及冷凝器设置等。

系统整体的传热传质性能包括吸附材料本身的动态吸附性能和装置部件的热质扩散能力,在一定程度上影响不连续系统在有限吸附解吸时间内的取水容量,基本决定了多循环系统的日循环次数和日取水量。为提升系统的传热传质性能,在材料层面,可以通过压块等方式调控使其具有较优的孔道结构,还可利用金属泡沫、碳泡沫等作为骨架材料,在保证传质速率的同时增大整体的传热系数。在系统层面,可设计蜂窝状等利于扩散的吸附床结构,可通过合理设置吸附床、加热面、冷凝器的位置来定向诱导气流方向,还可通过加装风机、翅片等方式强化热质扩散。

对于吸附剂材料本身,我们面临的问题是:以一年中特定一天最小供水量,还是以每年最大产量作为设计标准。任何一种取水用吸附剂都有它特定的最佳应用场景,因此,根据不同的应用场景(全年温湿度情况、可用热源类型、是否连续系统等)和设计标准,选取合适类型的(阶跃式、线性等)吸附材料,比开发一种普适性强、性能优越的吸附剂更现实可靠。例如:MOF-801、MOF-303这类阶跃性吸附剂,适用于空气湿度低的干旱地区,可保证夏天干旱地区的最低取水量;但该类材料在其他季节的取水量与夏季相比不大,年总产量并不占优势。而使用填盐复合吸附剂或水凝胶材料,可以保证年最大产量,但在湿度低天气下取水性能极差。

另外,冷凝换热性能直接决定了系统运行的最后一步——水的冷凝收集效果。事实上,诱导热湿空气冷凝得到液态水的主要驱动力是解吸所得蒸汽温度与冷凝媒介温度的差值,差值越大冷凝效果越高。因此,提高系统冷凝收集率主要可从两个方向出发:一是提高解吸温度或解吸强度,从而提高解吸所得热湿空气的相对湿度,如采用两级配置提高第二级吸附床解吸过程的水蒸气分压;二是降低冷凝媒介的温度,如采用PCM相变材料强化换热等。而冷凝过程的进行是水蒸气遇冷在冷凝器壁面润湿、成核、液滴生长并掉落的完整过程。从凝结方式(珠状凝结或膜状凝结)的思路出发,亲水表面有助于水蒸气的润湿和成核,而疏水表面 有助于液滴的跌落跳跃及时提供充足的换热面,故亲、疏水杂化表面可以显著提高冷凝速率。

空气取水系统的市场化发展
尽管吸附式的空气取水技术具有适用范围广、轻便干净、可利用低品位能源等优势,但让这项技术走进日常生活,还要在很多方面做出改进。目前来说,世界的淡水资源可满足大部分人的需求,而吸附式的空气取水却无法满足社会所有的水资源需求。因此,为了获得消费者和投资者对使用吸附式空气取水系统的支持,确定具有成本效益和可操作性的系统是将该技术成果转化的第一步。例如,基于蒸汽压缩制冷的空气取水系统已经商业化,其主要用于高湿度地区的水资源供给。基于吸附式的空气取水系统可适用于内陆干旱地区,但从经济成本上难以和传统水资源相以竞争。

多功能联产是一种可以降低产水成本的解决方案。即将吸附式的空气取水与电子器件散热、发电等功能相耦合,使系统具备双重功能,使吸附式的空气取水更具市场化价值。

大批量生产也是其市场化需解决的另一个难题。由于现有的关于吸附式空气取水技术的研究,主要着力于小批量、甚至小概念样机的探究和实验。当产量和系统规模呈数量级放大时,系统内传热传质等问题并不能单纯的等比例放大研究。在成果转化的道路上,这些都都需要考虑的因素和问题。
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图4. 除湿换热空调系统的(a)第一和(b)第二运行模式;(c)利用吸附原理增强电子设备的散热效率;(d)湿度驱动的电池发电机理

【结论与展望】
综上所述,吸附式空气取水是一种不依赖水源、可广泛应用且轻便洁净的取水技术。但在这项技术进入千家万户之间,还有很多的问题和挑战需要面临和解决。在吸附剂方面,MOF类吸附剂适用于稳定温湿度工况的多循环运行,但这对昼夜、四季变化的气候条件来说不太现实;以全年取水产量为标准,MOF、水凝胶等多孔基质与吸湿盐的结合在这种长期体系更具应用前景。在系统结构层面,不连续的取水系统要求用更多的吸附剂、更少的能源和外围设备以及更精确的设计来更优的完成单日吸附解吸全过程;连续多循环的取水系统则要求结构设计更利于热质传输,材料和系统的动态吸附-解吸-冷凝性能更为可观。在解吸热源方面,太阳能是安全可靠、清洁充足的可选驱动热源,将高效的光热传化材料合成在吸附剂材料内,可保证吸附剂在太阳辐射下的原位加热。在冷凝媒介方面,可选用温度适当的PCM材料强化散热,或采用辐射制冷手段等。在冷凝部件方面,亲、疏水杂化界面是最有助于提高冷凝收集效率的冷凝壁面。

与其他系统类似,吸附式空气取水系统也高度依赖系统内部的传热传质效率。在被动系统中,缺乏充足的新鲜空气供应和有效的内部流动是难以克服的挑战。在主动系统中,采用风机、热泵等外围设备可以显著提高系统内的传热传质性能,使取水系统具有较高的吸附容量和良好的吸附动力学特性。

在应用方面,发展大规模、高质量、低成本的吸附式空气取水系统,来解决饮用水资源短缺问题是势在必行的。而开发高效回收利用工、农业用水的取水系统,实现可持续农业和低能耗工业的发展,具有非常大的实用价值和应用前景。此外,通过取水-发电、取水-电子散热等联产方式发展吸附式空气取水,有望解决该技术在成果转化中成本居高不下的难题。

表1. 吸附式空气取水的技术路线表

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【作者简介】
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第一作者- Mojtaba Ejeian
Mojtaba Ejeian目前正在上海交通大学机械与动力工程学院攻读博士学位。他获得了伊朗科技大学的学士学位和材料与能源研究中心的硕士学位。他的研究兴趣主要集中在大气集水、太阳能热应用和海水淡化。他还拥有太阳能制冷和吸附技术方面的背景知识。

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通讯作者-王如竹
上海交通大学机械与动力工程学院讲席教授。2017&2018全球高被引学者、国家基金委创新群体负责人、全国先进工作者、国家教学名师,荣获英国制冷学会颁发的国际制冷J&E Hall金牌(2013)、中日韩制冷学位联合颁发的亚洲制冷学术奖(2017)、日本传热学会颁发的Nukiyama热科学纪念奖(2018)、国际制冷学会颁发的国际制冷最高学术奖Gustav Lorentzen奖章(2019)、国际能源署IEA颁发Peter Ritter von Rittinger International Heat Pump Award (2021)。王如竹教授主持成果还获得了 国家自然科学二等奖(2014)、国家技术发明二等奖(2010)、国家教学成果二等奖等奖励(2009)。

上海交大ITEWA交叉学科创新团队(Innovative Team for Energy, Water& Air):王如竹教授于2018年创建,致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术,旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案,推动相关领域取得突破性进展。近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Angewandte Chemie-International Edition、ACS Central Science、Energy Storage Materials、ACS Materials Letter 等国际顶级期刊上发表系列跨学科交叉论文。 

原文链接
Ejeian and Wang, Adsorption-based atmospheric water harvesting, Joule (2021), https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.04.005
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00178-1

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参考文献: