上海交大ITEWA团队EES:基于垂直阵列吸附材料和快速连续循环吸附装置的超高性能太阳能驱动空气取水

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第一作者:许嘉兴,李廷贤,严泰森
通讯作者:李廷贤,王如竹
通讯单位:上海交通大学
 
近日,上海交通大学王如竹教授和李廷贤研究员领衔的“能源-水-空气” 交叉学科创新团队ITEWA(Innovative Team for Energy, Water & Air)在能源环境领域顶级期刊Energy & Environmental Science上发表了题目为Ultrahigh Solar-driven Atmospheric Water Production Enabled by Scalable Rapid-cycling Water Harvester with Vertically Aligned Nanocomposite Sorbent”的研究论文。该论文提出了一种垂直阵列的石墨烯水凝胶复合吸附材料(LiCl@rGO-SA),设计构建了可实现快速连续循环的新型空气取水装置,通过吸附材料和取水装置的创新突破实现了太阳能驱动的超高空气取水量。复合吸附材料方面,制备的高含盐量、高稳定性的垂直阵列LiCl@rGO-SA在15%和30%相对湿度的干旱气候条件下吸附量创纪录地达到1.01 gwater/gsorbent1.52 gwater/gsorbent;空气取水装置方面,提出了一种全新的半主动式快速循环连续空气取水器,通过吸附过程和解吸过程的热质传递设计与运行策略优化,实现了空气取水器的传热传质协同强化和快速连续循环,克服了传统装置每天单次循环的局限,该空气取水装置每天可实现8次吸附-脱附的空气取水循环,取水量可高达2120 mLwater/kgsorbent,且该装置具备紧凑和轻便的优势。
 
【研究背景】
人类的生存与发展依赖水资源的供应,根据世界卫生组织的报告,全球目前有21亿人缺乏安全的饮用水,8.44亿人没有基本的饮用水设施。由于全球气候变化导致的极端天气频发,全球越来越多的地区将面临干旱气候和缺水挑战。随着人口的增加和污染的加剧,到2050年左右全球一半以上的人口将面临水资源短缺问题。因此,水资源短缺已经成为威胁人类生存和发展的全球性挑战。基于水蒸气吸附的空气取水技术相比于常规空气集水技术具有气候适应性宽广的显著优势,在低湿度干旱地区或离网无水源地区具有显著的不可替代性。然而,目前吸附空气取水技术面临产水量低、全天循环次数少(一般为单次循环)、能量效率低的问题,限制了其商业化应用,其低的产水量问题不仅仅来源于吸附材料在低湿度条件下的弱吸附能力,也归因于空气取水装置的低工作效率。因此,为了大幅提升吸附空气取水技术的产水能力,亟待开发新型的高性能空气取水材料和多循环的高效空气取水装置,实现吸附式空气取水性能的突破。
 
【文章简介】
1.垂直阵列石墨烯水凝胶基复合吸附剂(LiCl@rGO-SA)的设计、合成与表征
文章采用一维冷冻定向成型和盐负载的方法制备了具有垂直阵列孔结构的石墨烯水凝胶基复合吸附剂(LiCl@rGO-SA)。制备流程(图1)主要包括:氧化石墨烯-海藻酸钠(GO-SA) 混合溶液的制备与比例优化、基于一维冷冻定向与真空干燥的GO-SA多孔基质制备、Ca2+交联SA增强多孔基质的结构强度和亲水性、高吸湿性水合盐LiCl在多孔基上的负载以及氧化石墨烯部分热还原。SEM显示制备的石墨烯水凝胶基复合吸附材料(LiCl@rGO-SA)具备良好的垂直定向孔结构、极大的孔体积和梯级孔径分布。基质材料的高孔体积有助于负载较高比例的盐从而获得高的吸附能力,同时高孔体积赋予吸附材料良好的液态水储存能力和循环稳定性。此外,SEM图观察发现低浓度的盐溶液在基质表面结晶产生了纳米级别的固体盐颗粒,分散良好的微小盐晶体可以有助于提高盐的吸附反应速率。 
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图1 垂直阵列石墨烯水凝胶基复合吸附剂(LiCl@rGO-SA)的合成与结构表征
 
2.石墨烯水凝胶基复合吸附材料(LiCl@rGO-SA)的吸附-脱附性能
石墨烯水凝胶基复合吸附剂(LiCl@rGO-SA)具有多步吸附过程(图2A),包括LiCl的固-气化学吸附、LiCl·H2O的固-液潮解、LiCl溶液的液-气吸收。由于多孔基质的高孔隙率和极高孔体积,采用10%质量浓度的LiCl溶液浸泡制备的LiCl@rGO-SA具有非常高的盐负载量(78wt%),在15%RH和30%RH的低湿度条件下,创纪录的实现了高达1.01 g/g和1.52 g/g的吸附量,且材料具备良好的循环工作稳定性(图2G)。相比于现有的吸附空气取水材料,LiCl@rGO-SA在宽湿度范围内都具有明显的优势,尤其是在中低湿度范围内(10%-60% RH)吸附性能超过了目前报道的绝大部分吸附空气取水材料(图2H)。除了高的平衡吸附量,受益于独特设计的垂直定向孔结构赋予的低传质阻力,LiCl@rGO-SA展现了更快的吸附动力学(图2I)。 
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图2 垂直阵列石墨烯水凝胶基复合吸附剂LiCl@rGO-SA的水蒸气吸附性能
 
多次循环空气取水可以显著提升空气取水装置的工作性能,而高的吸附-脱附速率是实现快速多次循环取水的关键。相比于传统的颗粒堆积式吸附材料,制备的复合吸附剂LiCl@rGO-SA具有一维阵列孔结构,因此传质路径更短具有更低的扩散阻力,可以实现更快的吸附-解吸过程。为了可靠地模拟并测试吸附剂在空气取水工况下的吸附动力学特性,搭建了基于可控风速与可控温湿度的吸附-解吸动态测试装置,研究了LiCl@rGO-SA在不同风速工况、不同厚度下的吸附-解吸特性。研究发现:自然对流时吸附剂表面的扩散阻力占主导,通过增加风速可明显降低表面扩散阻力,进而显著提升吸附剂的吸附速率;采用强制对流时吸附剂内部的扩散占主导,随着厚度的增加内部扩散阻力逐渐增加,吸附-解吸速率逐渐下降。此外,研究发现吸附过程中固-气界面的吸附反应阻力相较于扩散和对流阻力明显偏低,然而在解吸过程的后半段,由于化学解吸反应阻力较大导致整体的解吸速率由脱附反应所控制而非水蒸气传质控制。在上述动力学研究的基础上,文章优选了吸附剂的厚度与吸附过程中的外部强制对流风速,以获得较快的吸附-脱附动力学性能。 
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图3 LiCl@rGO-SA的吸附-脱附动力学
 
3.半主动式快速循环连续空气取水器的传热传质协同强化与性能测试
太阳能光热驱动的吸附空气取水的基本原理是利用吸附剂捕获空气中的水分子,之后再通过太阳能光热驱动加热吸附剂使水分子从吸附剂中脱附,脱附的水分子在冷凝器内冷凝实现液态水的收集。为了解决传统间歇式空气取水器工作过程中吸附阶段不能产水的弊端和单日仅能实现单次吸附-解吸取水循环的局限,作者开发设计了一种采用多吸附床切换式的连续空气取水策略,基于吸附动力学特性(吸附所需时长是脱附所需时间的三倍),采用四片复合吸附剂组装成长方体形风道(图4A),其中一块吸附剂解吸时另外三块发生吸附,当受热面的吸附剂完成脱附后通过切换吸附剂实现连续产水(图4C)。通过引入光伏板驱动的风扇提供强制对流,一方面强化了水分子从环境传输至吸附剂孔道的传质速率,另一方面带走了吸附剂吸附产生的吸附热,从而促进了吸附剂的吸附速率,同时流经冷凝器翅片带走了水蒸气释放的冷凝热,通过降低冷凝温度加快了取水速率,一举多得实现了空气取水装置的传热传质协同强化。除此之外,作者采取了多种优化措施:1)采用选择性吸光涂层,提高吸光效率并降低辐射热损失;2)在吸附剂与冷凝器之间布置隔热层,在保证传质的同时减弱吸附剂向冷凝器之间的传热,可将吸附剂与冷凝器的温差由18.5 ℃增加至27.2 ℃;3)对冷凝表面处理,采用了PET亲水薄膜加快液态水的流动与收集。基于吸附材料的快速吸附特性和空气取水装置的传热传质协同强化,构建的半主动式快速循环连续空气取水器可以实现一天8次的吸附-脱附取水循环,室内太阳能模拟工况下取水量达到2120 mLwater/kgsorbent/day,户外低湿度工况的太阳能取水实验表明在超过35℃的高温外界环境中实现了1050 mLwater/kgsorbent/day的取水量(图5)。 
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图4 快速循环连续空气取水器的设计与优化
 
减小空气取水装置的体积和重量对于空气取水研究具有重要的价值,未来可以应用在干旱地区或野外的便携式空气取水。然而,目前的空气取水装置仅仅关注于单位吸附材料的产水能力而往往忽略了装置本身的重量和体积,部分报道的空气取水装置的重量和体积是吸附材料的数百倍。因此,构建紧凑轻便的空气取水装置是空气取水技术走向商业化的必经之路。为此,作者采用了紧凑的结构设计并从空气取水装置的角度评估了单位集热面积、单位质量装置和单位体积装置的空气取水能力,其数值分别达到1407 mLwater/m2/day、33 mLwater/kgdevice/day 和 18 mLwater/Ldevice/day,相关数值均显著高于传统空气取水装置的报道数据。
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图5 空气取水器的户外取水测试
 
【总结】
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有重要的研究意义和应用价值。为了解决吸附式空气取水技术产水量低下的瓶颈难题,上海交通大学ITEWA团队通过从吸附材料开发与合成、材料与器件传热传质强化、空气取水装置循环工作策略设计等多个角度对空气取水进行了全面的创新与性能提升。采用一维冷冻成型与盐负载方法,设计制备了具有垂直阵列结构、高吸附性能、良好稳定性的石墨烯水凝胶复合吸附剂(LiCl@rGO-SA),可实现低湿度下的超高吸水量,在15%和30%相对湿度下吸附量可分别高达1.01 gwater/gsorbent1.52 gwater/gsorbent,展现了极强的低湿度下工作潜力。同时,垂直阵列的孔结构降低了水分子的传输阻力,使得LiCl@rGO-SA具有优异的吸附-脱附动力学。通过对空气取水器内部传热传质的协同强化,设计并搭建了一种全新的半主动式快速循环连续空气取水器,在自然太阳能光照条件下展现了高达2010 mLwater/kgsorbent/day的超高空气取水能力。该工作为实现紧凑、便携、规模化的高效空气取水器提供了新思路。
 
【作者简介】 
上海交大ITEWA团队EES:基于垂直阵列吸附材料和快速连续循环吸附装置的超高性能太阳能驱动空气取水
第一作者-许嘉兴,上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生,师从李廷贤研究员,主要从事吸附式空气取水和热管理方面的研究,以第一作者在国际能源领域重要期刊Energy & Environmental ScienceAngewandte Chemie-International EditionACS Central Science、Energy、Solar Energy Materials and Solar Cells、Energy发表SCI论文5篇,EI封面论文2篇,授权/公开专利6项。

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共同第一作者-严泰森,上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生,师从李廷贤研究员,主要从事热化学吸附储热和空气取水方面的研究,在ACS Energy Letters、Energy & Environmental Science、Advanced MaterialsAngewandte Chemie-International EditionACS Central Science、Nano Energy、Journal of Materials Chemistry A等国际期刊发表SCI论文12篇。

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共同第一作者/通讯作者-李廷贤,上海交通大学机械与动力工程学院研究员,国家自然科学基金优青项目获得者,主要从事节能与储能中的工程热物理问题研究,涵盖太阳能光热转换及综合利用(制冷/采暖/空气取水)、高密度储热及能质调控(相变储热/热化学储能/吸附热池)、热管理(材料/器件)等方面的研究工作,主持国家重点研发计划项目1项、国家自然科学基金项目5项。近年来通过实施”能源科学-材料科学-化学/化工科学”的多学科、多领域交叉融合,致力于”储能材料-储能器件-储能循环/系统”的基础理论及关键技术研究,以第一/通讯作者在Energy & Environmental Science、Progress in Energy & Combustion Science、Advanced Materials、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Matter、Nano Energy、Energy Storage Materials等国际知名期刊上发表系列论文,入选ACS Central Science等期刊封面论文6篇,授权发明专利30余项,荣获中国化工学会侯德榜科学技术青年奖、中国制冷学会科学技术青年奖、中国节能协会技术发明二等奖等。

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共同通讯作者-王如竹,上海交通大学机械与动力工程学院讲席教授,国家基金委创新群体负责人、全球高被引科学家、国家杰青、长江学者、全国先进工作者、国家教学名师,荣获国际制冷学会Gustav Lorentzen奖、英国制冷学会J&E Hall奖、日本传热学会Nukiyama热科学纪念奖、国际能源署Rittinger国际热泵奖、亚洲制冷Academic Award奖、国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖、国家教学成果二等奖等奖励。王如竹教授于2018年创建了ITEWA交叉学科创新团队(Innovative Team for Energy, Water& Air),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、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Matter、Nano Energy、Energy Storage Materials等国际知名期刊上发表系列跨学科交叉论文。
 
Jiaxing Xu,† Tingxian Li,*,† Taisen Yan,† Si Wu, Minqiang Wu, Jingwei Chao, Xiangyan Huo, Pengfei Wang, and Ru Zhu Wang*. Ultrahigh solar-driven atmospheric water production enabled by scalable rapid-cycling water harvester with vertically aligned nanocomposite sorbent. Energy & Environmental Science 2021. https://doi.org/10.1039/D1EE01723C

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参考文献: