太陽能吸附式空氣取水研究進展

趙惠忠，雷敏，黃天厚，劉濤，張敏

(1.上海海事大學 商船學院，上海 201306；2.上海海洋大學 食品學院，上海 201306)

根據全球水資源研究所(GWI)的數據，地球上約97.5%的水屬于海洋中的咸水，剩下的2.5%是地表水、極地冰和地下水，很多國家和地區面臨著水資源短缺的問題[1]。解決水資源匱乏問題的方法有區域調水、海水淡化和空氣取水。空氣中蘊含著大量的水蒸氣，擁有著豐富的水資源，從空氣中取水可以不受時間和空間的限制[2]。因此，空氣取水技術可以成為解決淡水資源短缺問題的有效措施，空氣取水成為學者們的研究熱點[3-4]?？諝馊∷绞接校褐评浣Y露法[5-7]、吸收冷凝法[8-9]、吸附冷凝法[10]。吸附冷凝法相對于制冷結露法和吸收冷凝法而言具有一定的優勢，取水設備結構簡易便于布置，體積較小可用于攜帶，取水效率高且能耗小[11-13]。因此，吸附冷凝法有著潛在的研究價值和應用前景，受到相關研究領域的關注。太陽能吸附式空氣取水是一種將吸附冷凝法與太陽能光熱技術相結合的空氣取水方法，本文將針對此技術的研究進展進行討論。

1 太陽能空氣取水管

太陽能空氣取水管(Solar Watering Tube簡稱SWT)[14-15]是基于吸附/解吸理論，通過吸附床吸附空氣中水蒸氣并利用太陽能解吸凝結獲得液態水的一種制水單元。SWT的主要結構有：真空集熱管、復合吸附劑吸附床、吸附床水蒸氣通道、吸附床頂端濾網、密封塞、冷凝管、集水瓶等，其制水循環過程見圖1。

圖1 SWT制水循環示意圖

吸附過程：夜間，SWT吸附床與密封塞分開，潮濕的空氣流經吸附床，當溫度降到足夠低時，吸附床開始吸附大氣中潮濕的水蒸氣，流動的空氣將產生的吸附熱不斷帶走。吸附過程大概持續12 h，至次日早晨結束。

脫附過程：次日白天，將密封塞置于吸附床頂端、濾網下端進行密封，并將吸附床按照一定的傾角(當地的太陽角)放置以便于接收太陽能輻射。吸附床在接收太陽能輻照后，吸附劑溫度迅速上升，最高可達200 ℃以上。當吸附床的溫度足夠高時，被吸附的水蒸氣開始脫附，從吸附床內解吸出來。脫附出的水蒸氣沿著吸附床水蒸氣通道經過密封塞中心的導管進入冷凝管，冷凝成液態水后靠重力作用流到集水瓶保存起來。

整個白天均是脫附制水的過程，傍晚時刻，太陽能輻射減弱，復合吸附劑吸附床溫度降低，不再有水蒸氣脫附出來，此時，將太陽能制水管吸附床與密封塞分開，重復夜間吸附過程。

由于SWT的吸附床是灌裝在太陽能真空管內，太陽能集熱真空管的集熱性能對SWT的性能參數具有重要影響。Hoffmann R等[16]從環境、經濟角度分析比較了太陽能集熱真空管和平面集熱器的集熱性能，研究結果表明：從環境角度來看，考慮到真空管太陽能集熱器在制造過程中產生的影響最小，真空管太陽能集熱器是最佳選擇；然而，在經濟上，真空管集熱器系統需要更大的投資。因此，在資金不足的情況下，平板集熱器的選擇更具吸引力，盡管其生產過程污染更大；在資金允許的情況下，真空管是最明智的選擇。Sharafeldin M A等[17]研究了含三氧化鎢/水納米流體真空管太陽能集熱器的熱性能，實驗發現：隨著納米粒子的加入，真空管太陽能集熱器的效率提高，熱光效率可達到72.8%，改變納米顆粒的固體含量可以提高熱導率，這對提高太陽能集熱器的效率起著主導作用。

2 吸附劑的研究現狀

太陽能吸附式空氣取水不僅與太陽能取水管的集熱性能相關，在很大程度上還取決于吸附劑的吸附性能。吸附劑的吸附性能對空氣取水效率具有重要的影響，在太陽能吸附式空氣取水中起著關鍵作用[18]。吸附劑在吸附過程中所吸附的水蒸氣質量即吸附量的大小反映了吸附劑的吸附能力[19]。因此，太陽能空氣取水的效益大小主要受吸附劑的吸附量、吸附速率、吸附和脫附溫度及循環吸附周期等方面的影響。目前，已研究出來的吸附劑種類眾多，吸附性能各有優劣，本文主要介紹傳統型吸附劑、高效型改性復合吸附劑和新型金屬有機框架材料三種類型的吸附劑。

2.1 傳統型吸附劑

傳統型吸附劑主要有硅膠、分子篩、活性炭、無機鹽(LiCl、LiBr、CaCl2)等[20-24]。

硅膠具有開放的多孔結構，吸附性能較強，能吸附多種物質，但對于太陽能空氣取水來說，硅膠的缺點是耐熱性弱，白天在高溫下脫附時易燒毀[25]。分子篩的孔道均勻規整，比表面積大，耐熱性較強，能適用于低壓和高溫條件下的吸附環境，但同時對活化溫度要求也較高，吸附能力比硅膠弱?；钚蕴康目障督Y構發達，比表面積較大且表面化學基團豐富，是一種使用范圍較廣的吸附劑。無機鹽吸附材料的吸濕量大，吸附能力強，但其不足是易潮解，生成液體后腐蝕性較大，會對吸附設備產生不利，從而對吸附性能產生嚴重影響[26]。

不同種類的吸附劑具有不同的吸附性能，傳統型吸附劑材料制備簡單，已形成商業化，可大量獲取且價格便宜，可應用于大型太陽能空氣吸附式取水系統，但其吸附效率仍有一定的提升空間。

2.2 高效型改性復合吸附劑

為了解決傳統型吸附劑吸附量不高的問題，國內外學者利用吸附劑改性開發了更高效的復合吸附劑，提升了吸附劑的吸附率，進而推動了太陽能吸附式空氣取水技術的發展。目前復合吸附劑的配制方法主要有三種：干混法、浸漬法和固化法。干混法是將多孔吸附劑和無機鹽按照一定的比例通過研磨充分混合；浸漬法是將多孔吸附劑浸漬到不同濃度的無機鹽溶液中，浸泡一定時間后再烘干，從而得到混合均勻、充分的復合吸附劑；固化法是通過黏結劑或模具壓制來獲得傳熱傳質性能較好的塊狀的成型吸附劑，但是這種方法制取過程較為復雜，需要相應的模具，固化密度也難以控制[27]。

針對復合吸附劑的研究，我們研究團隊在改性復合吸附劑上做了相關研究，并取得了一定的進展，以下對本團隊所獲得的實驗成果進行介紹。

本課題組設計搭建了一種整體成型吸附劑性能測試裝置，并測試了復合吸附劑MgCl2-13X的吸附性能[28]。該實驗采用5%，10%，15%和20%四種不同質量分數的MgCl2溶液來浸泡13X沸石分子篩，并使用MX1，MX2，MX3和MX4來標記獲得的復合吸附劑，測得復合吸附劑吸附率及吸附速率隨時間的變化，主要結論及分析如下：13X沸石分子篩經過MgCl2溶液浸漬后吸附性能有所改變，復合吸附劑MX3性能最佳，此時所使用的MgCl2質量分數為15%，最大吸附量達0.32 g/g，最大吸附速率為0.59 g/min，比單純的13X沸石分子篩提升了20%。

在此實驗的基礎上，本課題組又將不同含量的多壁碳納米管(MWCNT)加入復合吸附劑13X/MgCl2中以制成新型復合吸附劑[29]，實驗結果表明：新型復合吸附劑13X/MgCl2/MWCNT在開式系統中的平衡吸附量為0.52 g/g，閉式平衡吸附量為0.38 g/g，分別是單一的13X吸附量(0.24 g/g)的2.2和1.6倍。新型復合吸附劑的熱導率可達到0.265 W/(m·K)，是13X熱導率的4.9倍，具有明顯的提高。

本課題組進而提出了一種由粗孔硅膠和氯化鎂制成的復合吸附劑，研究了不同配制參數對復合吸附劑吸附性能的影響[30]。實驗表明：在平均溫度 29 ℃，相對濕度76.1%的條件下，隨著MgCl2溶液濃度的增加，復合吸附劑的平衡吸附量和吸附速率也隨之提高，Mg7的平衡吸附量可達0.345 g/g，是粗孔硅膠(Mg0)的2.95倍。在平均溫度30.7 ℃，相對濕度75.4%的條件下，將復合吸附劑測試了120 h，結果發現吸附量隨著浸泡時間的增加而升高。因此，MgCl2溶液濃度、浸泡時間對復合吸附劑的配制具有重要的意義，并且影響復合吸附劑的吸附特性。

我們研究團隊通過改進設計，建立了一個新的實驗裝置[31]。實驗測試了13X/CaCl2復合吸附劑在真空條件下的吸附性能，得出CaCl2溶液質量分數為5%和10%時所制得的復合吸附劑的性能優于純沸石13X，且質量分數為10%時效果更好，而質量分數為15%和20%的CaCl2溶液所制得復合吸附劑的平衡吸附量比純沸石13X低。CA10X(10% CaCl2/13X)和13X的平衡吸附量可達0.37 g/g和0.35 g/g，復合吸附劑的平衡吸附量比13X吸附劑提高了5.7%。復合吸附劑CA10X和13X在200 ℃條件下具有相同的平衡吸附率，說明復合吸附劑CA10X可以吸附更多的水蒸氣，在吸附式制冷系統中具有較好的性能。

此外，劉金亞等[32]針對太陽能儲熱型吸附式空氣取水器吸附劑和儲熱材料的選擇，分別研究了以膨脹硫化石墨(ENG-TSA)和活性炭纖維(ACF)氈為基質的復合吸附劑的吸附性能和導熱系數。結果表明：ENG-TSA-LiCl復合吸附劑的吸水量和導熱系數最大可達1.54 g/g和5.67 W/(m·K)。真空浸漬法制備的ACF-LiCl復合吸附劑相對于大氣浸漬法來說，其吸水量明顯提高，ASLi40固化吸附劑的吸水量較為可觀，為1.59 g/g，適用于大批量生產。楊凡等[33]通過將氯化鈣(CaCl2)與多壁碳納米管(MWNT)研磨配制組成了一種復合吸附劑，在低濕度條件下，測得了氯化鈣質量分數分別為40%，50%，55.6%時3種不同配比復合吸附劑的吸附情況。研究結果表明，復合吸附劑吸附速率和平衡吸附量隨著濕度升高而提高；但在25 ℃、相對濕度35%的低濕度工況下，當氯化鈣含量超過50%時，復合吸附劑外表面氯化鈣將會出現結晶問題，從而導致吸附劑吸附速度降低。

2.3 新型金屬有機框架材料

近十年來，金屬有機骨架材料(MOFs，Metal-Organic Frameworks)得到迅猛發展，MOFs是一種由金屬離子與有機配體通過配位鍵組裝成的配位聚合物，這種材料的孔隙率可以達到90%，密度極低(0.2～1 g/cm3)，比表面積和孔隙體積較高[34-37]。其中部分金屬有機框架材料在水蒸氣吸附上表現出了極高的吸附能力，為吸附制冷、空氣取水等領域提供了新材料選擇的可能。

針對金屬有機骨架材料的研究，我們研究團隊正在開展一些研究工作，采用水熱合成法制備水熱穩定金屬有機骨架MIL-101(Cr)，其制備實驗照片及樣品見圖2，并對其吸附性能進行了測試，實驗將MIL-101(Cr)，細孔硅膠作為研究對象，選取不同的工況，測試并對比了MIL-101(Cr)與細孔硅膠的吸附性能，實驗裝置見圖3。實驗發現MIL-101(Cr)相對于細孔硅膠而言，水吸附量具有明顯提高，這說明了MIL-101(Cr)是一個具有極大研究價值的吸附材料，本課題組也將對此進行更深入的研究。

圖2 (a)反應釜；(b)MIL-101(Cr)樣品

圖3 恒溫恒濕箱吸附實驗裝置示意圖及實物圖

國外其他研究團隊對MOFs材料也做了一定深入研究。Pia Küsgens等[38]研究了HKUST-1、MIL-100(Fe)、MIL-101、DUT-4和ZIF-8五種金屬有機骨架的水物理吸附性能和水穩定性，測得MOFs的比表面積SA、總孔體積VN2、總孔體積VH2O和吸附熱(HoA)，實驗結果見表1。研究發現，HKUST-1對水具有較高的親和力，但在高濕度條件下不宜作為干燥劑使用，HKUST-1在323 K水中浸泡24 h后，骨架結構將發生不可逆轉的變化；MIL-101、MIL-100(Fe)對水蒸氣的吸附量非常可觀，水穩定性較好，具有很大的研究前景；DUT-4吸附量較小，而ZIF-8則表現為一種高度疏水的微孔材料。Hiroyasu Furukawa 等[39]為了尋找性能優良的多孔材料，用孔隙中水的冷凝壓力、吸水能力、材料的可回收性和水穩定性這三種標準研究并比較了23種材料的吸水性能，其中有20種是金屬有機骨架材料。實驗確定了23種材料的永久孔隙度，并測定了它們的吸水率，根據上述三個標準，MOF-801-P和MOF-841的吸附性能最佳，且水穩定較好，5次吸附解吸循環后體積不變，在室溫下容易再生。Adam J Rieth等[40]報告了一種介孔金屬有機框架，在環境低于30%的相對濕度下吸附率高達82%，在模擬沙漠環境下，MOF的吸附量可達到0.82 g/g，幾乎是之前最佳材料的2倍。

表1 MOFs的比表面積SA、總孔體積VN2、總孔體積VH2O和吸附熱(HoA)

3 太陽能吸附式空氣取水裝置的優化設計

3.1 太陽能空氣取水器

吸附式空氣取水器具備較高的集成度，以吸附劑為主導，其性能參數對取水器的效能與運作方式具有決定性作用[9]，此外，空氣溫濕度、對流速度、對流強度[41]和傳熱過程[42-47]等因素對此也有一定的影響?？諝馊∷髦饕譃樘柲苤评浣Y露法空氣取水器和太陽能吸附式空氣取水器，太陽能制冷結露法空氣取水器所需的能量轉換環節太多，集熱等可用能損失較大，取水率低；相比之下，太陽能吸附式空氣取水器僅有集熱和冷凝兩個能量轉換環節，可用能損失大大減少，取水率則大為提高[48]。因此，太陽能吸附式空氣取水器是目前已知的僅僅只利用太陽能從空氣中取水的裝置，指明了空氣取水器未來的研究方向。

侴喬力團隊[49]通過改進冷凝罩、透光罩的布置方式來加速冷凝過程和提高集熱效率，并采用金屬網球來分隔吸附劑，提供了一種透光良好、冷凝迅速、吸附徹底、集熱高效的太陽能吸附式空氣取水器。劉金亞[11]設計了一種吸附式空氣取水裝置，該裝置主要由太陽能集熱器、吸附床和冷凝器等組成，裝置設計了無動力風帽，有風時其可旋轉以帶動設備內空氣流通，提高了取水裝置的吸附性能。

盡管國內外學者在太陽能吸附式空氣取水上進行了一定研究，但太陽能吸附式空氣取水器的設計及應用發展速度卻極其緩慢。研制高效取水、攜帶便捷、可用于商業生產的空氣取水器，以解決干旱地區淡水資源匱乏、交通運輸困難等問題是吸附法未來的重點研究領域。

3.2 吸附床的強化

吸附床是整個太陽能吸附式空氣取水系統的核心部分，其傳熱傳質的性能對整個系統的性能有著至關重要的影響。吸附床傳熱傳質性能強化的途徑主要是吸附床結構優化，對吸附床內吸附劑進行物化處理。畢崟等[50]采用新型的氯化鋰-硅膠吸附床對太陽能/廢能驅動吸附/解吸循環進行了數值研究，并設計了一種專門的吸附床，該結構不僅能使太陽輻射和熱空氣(由余熱產生的)通過，還可以使吸附床空隙中的水蒸發出來，在此基礎上，對太陽輻射和余熱共同作用下的吸附及解吸過程進行了模擬。吸附/解吸周期由吸附量、吸附率和除濕性能系數(DCOP)及其相關因素決定，例如工作模式切換時間，加工/再生空氣和太陽輻射的參數數據等。研究結果表明，在典型的溫濕條件(30～35 ℃，70%～80% RH)下，該系統能夠取得良好的性能，吸附量為7～7.2 g/kg，吸附率為0.4～0.5，DOCP為0.35～0.37。太陽輻射強度增加到1 800 W/m2時可使DCOP從1增加到5。此外，吸附劑床的結構系統也進行了優化，推薦氣流通道長度0.7～0.9 m、氣流轉向數為5～7，根據功能的不同，建議換床時間為2.5～3 h。與傳統吸附系統相比，新系統在化石燃料能源利用方面可節約90%左右。

4 結束語

空氣取水技術為水資源短缺地區如沙漠和海島等獲取淡水資源提供了一種新思路，該技術目前還處于發展階段，盡管太陽能吸附式空氣取水從理論和實踐角度來看具有極大的可行性，但依然存在一些弊端，限制了該技術的大面積推廣及應用。

太陽能吸附式空氣取水目前所存在的主要不足是取水率低，研制出具有極大出水量的吸附劑是解決該問題的核心。根據現階段對吸附劑的研究來看，傳統型吸附劑在用于大型空氣取水系統中具有價格便宜，獲取渠道容易等優勢，但其吸附率依然有待提高；新型金屬有機框架材料在空氣取水中表現出非凡的潛能，但也存在著制備繁瑣、價格昂貴、研究條件受限等問題。因此，研制出同時具備以上兩類吸附劑優良性能的吸附材料是未來吸附法的發展趨勢，同時，這也要求該領域的研究學者在材料性能優化和新材料的開發應用等方面做出更大努力，將空氣取水技術與其他領域的相關科技結合，協同發展。此外，空氣取水器的發展滯慢也在很大程度上限制了空氣取水技術的大型推廣，我們若能在前有技術上有所改進并加以創新，引用機械設計等技術，制備出高效率、高性能、結構美觀、體積大小能滿足不同地區和環境的需求的空氣取水器，其應用前景將會更加廣闊，并有望為以后實現大型化、商業化生產作出貢獻。