吸附式空氣取水系統用吸濕材料研究進展

王勝楠，陳康，鄭旭

（浙江理工大學建筑工程學院，浙江 杭州 310018）

淡水是維持人類生命體征最重要的物質。然而，淡水資源在全球范圍內分布不均，而且隨著人口的迅速增長以及工農業的大力發展，使許多國家和地區的淡水資源短缺問題日益嚴峻。目前，全球可用的淡水資源僅占淡水總量的2.5%，其中68.7%以冰川形式存在于兩極地區，較難開采利用。多數國家通過修建水壩、跨區域調水和海水淡化等大型工程來滿足供水需求。但是，建造水壩和跨區域調水工程所需的建設周期長、工程量大、投入和運行成本高，而海水淡化工程需要海水資源且對電力設施的依賴程度大，限制了在內陸干旱地區或不具備大型電力設施的島礁的應用。因此，在大型淡水調配及生產工程的基礎上，輔助小型的取水系統是有必要的。

小型取水系統通常采用提取地表水或地下水進行凈化處理和從空氣中取水的技術手段。在所有的水源中，空氣中的水由于受地理環境的限制小、水生產過程中對環境的影響小，并且空氣的含水量巨大，據統計約為地表江河水總量的6倍，深受科研人員的青睞。空氣取水技術主要包括直接冷凝法、膜分離法和吸附/吸收法。其中，吸附式空氣取水技術依靠固體吸濕材料的吸放濕特性，可提高被處理空氣的水蒸氣分壓力，即使在干旱條件下，也能保證一定的取水能力。該技術工作原理如圖1所示，在吸附階段(a)，環境空氣與吸濕劑直接接觸，其中的水蒸氣被吸濕劑吸附；在脫附階段(b)，加熱吸濕劑使其中的水分脫出，脫附出的水蒸氣被冷凝，變為液態水。最近，Hua 等基于熱力學定律及?概念，計算了不同氣候條件、工質和運行參數下直接冷凝式和吸附式空氣取水技術的能耗。研究指出，相比冷凝式，吸附式空氣取水技術不僅適用于干旱地區，除了熱帶和亞熱帶沿海地區外，吸附式的能耗普遍更低。而且，應用太陽能、工業余熱等低品位熱能作為再生熱源，可進一步節能。隨著吸濕材料、器件及系統的不斷創新，吸附式空氣取水技術被認為是輔助解決沙漠、島礁等地區淡水資源短缺問題的有效手段。

圖1 吸附式空氣取水技術工作原理[6]

吸濕劑的吸放濕特性對吸附式空氣取水系統的取水效果起著關鍵作用，因而高效吸濕劑的研發對于系統性能的提升至關重要，是國內外學者的研究重點。隨著材料科學的快速發展，各類新型的吸濕材料層出不窮，并在吸附式空氣取水系統中得到了應用。本文詳細介紹了吸濕劑的性能特點及在吸附式空氣取水系統的研究現狀以及最新進展，包括吸濕性聚合物和復合吸濕劑（多孔材料-鹽、聚合物-鹽、聚合物-聚合物和多孔材料-聚合物），并對吸濕材料未來研究的發展方向進行了展望。

1 理想吸濕劑特性

吸濕劑主要指能夠吸附空氣中水蒸氣并能在一定條件下實現脫附的材料。在吸附/脫附工況、運行時間、空氣狀態等條件都一定時，吸濕劑的吸附和脫附性能將直接決定吸附式空氣取水系統的取水效果。

水蒸氣的吸附等溫線是評估吸濕劑性能的重要指標，表征了吸濕劑在特定溫度下的飽和吸附量隨相對濕度的變化趨勢。圖2顯示了國際理論與應用化學聯合會歸納的6 種吸附等溫線類型。其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅵ型均屬于親水性材料，這些材料在較低相對壓力下就擁有較高的吸水量。例如，在25℃和30%RH環境下，CPO-27(Ni)和CaCl@UiO-66_53的吸水量分別為0.42g/g 和0.73g/g，MOF-303在30℃和20%RH 環境下的吸水量為0.38g/g。Ⅲ和Ⅴ型則屬于疏水性材料，例如K改性聚丙烯酸在20℃和30%RH 條件下的吸水量為0.085g/g，Cr-soc-MOF-1在25℃和30%RH 工況下的吸水量僅有0.05g/g，該類吸濕劑在低相對壓力下吸水量較低。不同的是，Ⅲ型材料在相對壓力接近1時才會出現吸水量突增的現象，而Ⅴ型材料在中段相對壓力區間會呈現S形，表明吸水量可在較窄相對壓力范圍內實現突增。

圖2 國際理論與應用化學聯合會歸納的六種吸附等溫線類型[10]

除濕主要針對濕度較高的氣候，如ARI humid（30℃和63%RH）和上海夏季（34℃和65%RH），而空氣取水應覆蓋各類濕度條件，如從沙漠干燥氣候（夏季25℃和39% RH，冬季15℃和39% RH）到沿海島礁高濕氣候（普適研究工況：25℃和75% RH）。王佳韻認為，理想的空氣取水材料應呈現出近線性的等溫吸附線。應用具有上述吸附等溫線的吸附劑，無法使吸附式空氣取水系統達到最佳性能。如具有Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅵ型吸附等溫線的吸濕劑，在低濕度下脫附量較少；Ⅴ型存在范圍較窄的S形階躍，無法實現寬領域吸附的要求。隨后，Tu等進一步提出了適用于空氣取水的理想吸濕劑的吸附等溫線特征，即吸濕劑應對溫度具有較高敏感度：在低溫吸附過程（＜25℃）中，平衡吸附量隨相對濕度的增大呈線性增加；在較高溫（＞35℃）脫附過程中，平衡吸附量隨溫度升高而迅速降低。最近，Ejeian和Wang認為不同的溫濕度氣候適用不同的空氣取水材料，可以根據材料自身的平衡吸附性能、動力學吸附/脫附性能來確定其應用環境和適用的裝置結構。

總體而言，吸附式空氣取水系統的理想吸濕劑應具備以下特征：①高吸濕性能；②快速的吸附動力學特性；③易于利用低品位能源再生；④具備長時間穩定運行的能力。此外，還應具有較小的吸附熱、無毒無害以及價格低廉等其他性能。

迄今為止，公開報道的吸濕劑主要分為單一吸濕劑和復合吸濕劑兩大類。單一吸濕劑主要分為以下三類：①基于物理吸附的多孔材料，如硅膠、活性炭和沸石等；②以吸濕性無機鹽為主的化學吸收材料，如氯化鋰、氯化鈣和硫酸鎂等；③各類新型吸濕性聚合物，如具有納米級孔道結構的有機骨架化合物、溫敏材料以及高分子聚合物等。復合吸濕劑由兩種或兩種以上吸濕材料復合而成，主要包括多孔材料-鹽，聚合物-鹽、聚合物-聚合物和多孔材料-聚合物等類別。

硅膠、活性炭和沸石等多孔材料通過內部孔隙結構與周圍空氣之間的水蒸氣壓差來實現吸附，該類吸濕劑易于生產、價格低廉、無毒無味、化學性質穩定，但存在吸濕量低或再生溫度高等不足。氯化鋰、氯化鈣和硫酸鎂等吸濕鹽通過與水結合生成水合物或溶液實現干燥，這類吸濕劑具有一定的腐蝕性，在高濕工況下容易液解，進而引發吸濕劑的流失和腐蝕吸附床的隱患。上述不足限制了二者在空氣取水系統中的應用。近年來報道的一些單一吸濕劑中的聚合物類和各類復合吸濕劑改善了多孔材料和吸濕鹽在空氣取水應用中的不足，在以下章節中，將重點分析該類材料的性能特點，并對其在吸附式空氣取水系統中的應用進行全面地歸納和總結。

2 吸濕性聚合物

吸濕性聚合物由一系列大分子構成，主要包括聚合物電解質和金屬-有機框架化合物。該類吸濕材料具有吸濕量大、吸濕速率快、等溫吸附線可調、形態多樣等優點，因而受到了眾多研究者的關注，并逐漸在除濕、空氣取水、空調等領域得到應用研究。下面具體介紹聚合物電解質和金屬-有機框架化合物。

2.1 聚合物電解質

聚合物電解質是一類具有高吸濕性和快速吸附性能的有機高分子材料。某些聚合物電解質的吸附等溫線表現出與某些多孔材料相似的Ⅱ型吸附等溫線，但它們的吸水機理與多孔材料不同，其優異的吸濕性能歸因于三維交聯網絡結構與大量的親水基團和離子基團。在與水接觸時，三維交聯網絡結構引發的毛細現象促進水分快速地向聚合物內部擴散；同時，大量的親水基團與極性水分子不斷地結合形成氫鍵。此外，聚合物內部的離子基團陸續電離形成離子濃度差，進一步促使水分向聚合物內移動。

各種聚合物電解質由于單體的不同，表現出不同的吸濕性能。Chang 等通過實驗測得聚丙烯酸鈉在30℃和70%RH 下的吸濕量為0.62g/g。Sultan等測試了聚苯乙烯類聚合物PS-Ⅰ和PS-Ⅱ在30℃和70%RH 環境下的吸濕量，分別為0.45g/g 和0.60g/g。此外，離子基團的不同也將導致聚合物電解質吸濕性能存在較大差異。于博和鄭旭分別使用Na和K對聚丙烯酸型聚合物進行改性，在20℃和70%RH 的工況下，兩種改性后的聚合物吸濕量分別為0.61g/g和0.17g/g。

聚合物電解質具有很高的吸濕能力和較好的再生性能。Nandakumar等開發了一種由乙酸鋅與乙醇、氨基醇和水混合而成的具有高吸濕性能的水凝膠，該水凝膠在25℃和90%RH 的工況下吸濕量可達4.2g/g，且可利用太陽能等低溫熱源（＜55℃）再生。應用該水凝膠的空氣取水裝置一天內的取水量可達10kg/kg。

2.2 金屬-有機骨架化合物

金屬-有機骨架化合物（MOFs）是由無機金屬中心和有機配體連接而成的具有開放框架結構的多孔配位化合物，通過合理的成分和孔結構設計可使其具備很大的比表面積和孔體積，從而具有高吸濕性能。Towsif Abtab 等構建了一種具有高孔隙率和良好吸水性能的MOFs 材料Cr-soc-MOF-1，在20℃和75%RH 工況下的水蒸氣吸收量高達1.95g/g。Elsayed 等在25℃和90%RH 工況下測試兩種MOFs 材料，即CPO-27(Ni)和富馬酸鋁的吸水量，分別為0.47g/g 和0.53g/g，均比硅膠吸水能力強。

不同類型的MOFs 材料吸濕性能差異明顯。Furukawa 等通過實驗測試了23 種MOFs 材料在25℃時的水蒸氣吸附性能，結果如圖3所示。可以看出，對于微孔的Zr-MOFs，如UiO-66 在90%RH時的吸濕量最大可達到0.43g/g，MOF-801-SC 為0.28g/g，MOF-801-P 為0.36g/g。對于大孔的Zr-MOFs，如PIZOF-2、DUT-67 和MOF-808，在相同工況下的吸濕量分別為0.68g/g、0.5g/g 和0.59g/g。對于其他類型多孔MOFs，如CAU-10、Co-MOF-74和Basolite-A300 的最大吸濕量分別為0.29g/g、0.51g/g和0.65 g/g。

圖3 不同MOFs材料的吸水能力[28]

同構型的MOFs材料，若有機配體或金屬團簇不同，吸濕性能也不同。Seo 等合成的MIL-101(Cr)和MIL-100(Fe)，在30℃和60%RH 的條件下吸濕量分別為1.5g/g 和0.84g/g。Akiyama 等研究了MIL-101、MIL-101-NH、MIL-101-NO和MIL-101-SOH在25℃和60%RH下的平衡吸濕量，分別為1.29g/g、0.94g/g、0.93g/g 和0.68g/g。Wade 等合成了Zn （NDI-H）、Zn （NDI-NHET） 和Zn（NDI-SET），在20℃和90%RH 條件下，吸水量分別為0.47g/g、0.3g/g和0.24g/g。Trapani等向UiO-66 中分別引入氨基和磺酸基，實驗發現，相同工況下磺酸基的引入能提高UiO-66 親水性，氨基則不能。

部分MOFs材料在吸附式空氣取水系統中已經得到了應用。Kim等將MOF-801應用在自主設計的太陽能空氣取水裝置中，在35℃和20%RH 空氣條件且無額外能量輸入的情況下，每千克吸濕劑一次循環可取水0.3kg，每天的取水量可達2.8kg。Hanikel 等以MOF-303 為吸濕材料的吸附式空氣取水裝置，研究報道，在室內干燥環境下（27℃和32%RH）和沙漠極端條件下（27℃和10%RH）分別經過一天的晝夜循環，每千克吸濕材料可集水1.3kg和0.7kg。

所用吸濕劑對空氣取水系統運行效果起著決定性的作用，表1 總結了上述MOFs 材料的一些性能參數。可以看出，多數MOFs 在40%～60%RH 工況下的吸濕量比硅膠、活性炭等常見吸濕劑的吸濕量高。

表1 金屬有機骨架化合物性能參數

3 復合吸濕劑

3.1 多孔材料-鹽類

多孔材料-鹽類復合材料一般是由多孔材料浸漬無機鹽溶液后經干燥制得。硅膠、分子篩和活性炭等多孔材料吸附性能穩定、價格低廉，但吸附量較低。而吸濕性無機鹽（鹵素鹽、硝酸鹽、硫酸鹽等）吸水性能較高，但吸水性能不穩定，在較高相對濕度下容易發生液解（過量的吸水導致鹽顆粒濕潤，進而逐漸溶解，形成鹽溶液）。液解不僅會引起無機鹽的流失，還會腐蝕系統。復合材料既保留了吸濕性鹽的高吸水特性，又保留了多孔材料的吸附穩定性，與此同時液解后的鹽溶液貯存在多孔材料的孔隙中，有效緩解鹽的液解問題。需要注意的是，在高濕工況下，復合材料吸水量如果超過其孔體積，則多余的溶液仍會從多孔顆粒內滴出來，如圖4所示。因此在實際應用時，需要適當降低鹽含量，以避免溢液問題。比如，在較高相對濕度的恒溫恒濕箱中對復合材料進行強制液解，使多余的鹽溶液從多孔基質中溢出。

圖4 復合材料吸濕過程示意圖[16]

吸附式空氣取水系統中常用的多孔材料-鹽類復合吸濕材料包括硅膠-鹽、分子篩鹽、活性炭纖維-鹽和雙鹽復合材料四類。表2 總結了該類復合吸濕材料的吸附條件和吸水量等一些性能參數。

表2 多孔基質-鹽復合吸濕劑性能參數

3.1.1 硅膠-鹽

硅膠是一種物理吸附劑，具有吸附性能較好、再生溫度低、價格便宜等優勢，常被用作復合吸濕劑的多孔介質。硅膠-鹽復合吸濕劑的吸水量通常優于純硅膠。研究表明，影響硅膠-鹽復合材料吸附性能的因素主要包括硅膠種類、吸濕鹽種類和鹽含量。

程俊峰等研制了一種由粗孔硅膠和MgCl制成的復合吸濕劑，并研究了組分比例和浸漬時間對復合材料吸濕量的影響。研究表明，平衡吸附量和吸附速率都隨著MgCl含量的升高和浸漬時間的增加而升高。郝劉倉等用FNG硅膠分別浸漬不同濃度的LiCl 溶液，在25℃和35%RH 工況下，質量分數為40%的復合材料吸濕量最大，為0.286g/g，且可在80℃下再生，研究者認為該材料適用于干旱地區空氣取水。Simonova等用介孔二氧化硅KSK浸漬飽和Ca(NO)鹽溶液制備了復合材料SWS-8L，在35℃和21%RH 工況下，吸水量可達0.21g/g，是純KSK的3.5倍。劉金亞等制備了使用硅膠/CaCl和硅膠/LiCl 的吸附式空氣取水裝置。每千克吸濕劑的產水量（25℃和60%RH 環境下吸附至飽和，之后70℃下脫附6h）分別為0.172kg和0.168kg。

3.1.2 分子篩-鹽

沸石分子篩是堿或堿土元素，如鉀、鈉、鈣等的結晶態硅鋁酸鹽。傳統沸石如A 型、 X 型和Y 型，結構中的Al與水分子間有著較強的吸附作用力，通常需要較高的再生溫度（＞200℃），限制了它們在吸附式空氣取水系統的應用。20世紀末，一類以MCM-41為代表的、具有有序孔道結構、大小均勻、孔徑可在2～10nm 范圍內連續調節、比表面積大等特點的有序介孔分子篩被合成。此后，不同孔徑大小的有序介孔材料, 如MCM-48、MCM-50、SBA-15等被不斷合成。該類材料表面有很多親水性官能團，吸附性能比普通介孔硅膠更好。

李軍等用13X沸石分子篩分別浸漬不同濃度的CaCl溶液制得5 種復合吸濕劑，并進行了吸附性能測試。與硅膠基-鹽復合吸濕劑相似，浸漬溶液濃度越高，13X/CaCl復合吸濕劑的吸濕性能越好。趙惠忠等研究了浸漬不同濃度LiCl溶液的復合13X 沸石分子篩。研究發現，當鹽濃度大于≥35%時，復合吸濕劑在高相對濕度下會出現液解，且隨著濃度的升高，液解越明顯。之后進行了鹽濃度為20%的復合吸濕劑（MZ）與不同質量分數石墨烯的混合研究。當石墨烯質量分數為3%時，混合材料（3G-MZ） 吸濕性能最佳，在25℃和60%RH 工況下為0.587g/g，是純13X 的2.7 倍，還能在80℃和20%RH 工況下再生。Ji 等合成的MCM-41/CaCl復合吸濕劑平衡吸水量可達到1.75g/g，而且能夠在80℃下脫附出90%的水。將0.4kg 復合吸濕劑置于具有鋼絲抽屜式吸附床結構的太陽能空氣取水系統，系統的有效太陽能集熱面積為0.16m，日產水量可達1.2kg。

3.1.3 活性炭纖維-鹽

活性炭纖維是經過活化的含碳纖維，內部的微孔結構使其具有很大的比表面積，因而對水蒸氣的吸附能力比一般的活性炭要高，是一種性能優異的多孔基質。Zheng 等用活性炭纖維浸漬飽和LiCl 溶液制得ACF/LiCl 復合材料，在20℃和70%RH 工況下，復合材料的吸濕量為純活性炭纖維的3～4倍，最大吸水量可達1.30g/g。Wang等用活性炭纖維浸漬CaCl溶液得到ACF/CaCl復合吸濕劑，在20℃和70%RH 工況下的吸濕量高達1.6g/g，是硅膠/CaCl的3倍。劉金亞等將ACF/CaCl和ACF/LiCl用于吸附式空氣取水裝置，一次循環的產水量分別為0.38kg/kg、0.41kg/kg（25℃和60%RH 下吸附至飽和，后置于90℃溫度下脫附6h）。

但是，活性炭纖維質地較軟，無法形成固定的形狀結構。Wang 等對ACF/LiCl 的制備過程進行了改進：在浸漬LiCl之前，先將活性炭纖維浸漬在硅溶膠中固化，增大其機械強度。該固化復合材料在25℃和90%RH 下的吸水量為1.2g/g，在77℃和20%RH 工況下的最大脫附量為0.6g/g。隨后，Wang 等將上述材料應用在吸附式空氣取水系統中，25℃和85%RH 下吸附飽和，之后在77℃熱空氣（電加熱）中脫附5.5h，每天最多可取水14.7kg。此外，還運用太陽能集熱器代替電加熱器，研究發現每天可取水9kg。

Li 等將LiCl 填充在一種納米碳空心膠囊（HCS）中，制備了HCS/LiCl 復合材料。該材料在25℃和80%RH 下，4h 內達到吸附飽和，吸濕量為2.2g/g。之后，將該材料置于纖維狀二氧化硅基體上，制得HCS/LiCl@SiO。在22℃和60%RH環境下3h，可吸附約自身質量36%的水；在1kW/m模擬太陽光條件下，25min內能釋放90%的水。每千克該材料日產水量達1.6kg。

3.1.4 雙鹽復合材料

雙鹽復合吸濕材料是用多孔基質浸漬兩種不同的吸濕性鹽溶液制得，制備方式通常有兩種：①直接浸漬混合溶液（一步法）；②先后浸漬單獨溶液（兩步法）。鄭旭用一步法（浸漬LiCl和LiBr混合溶液）制備的雙鹽復合硅膠，雖然平衡吸濕量遜于硅膠/LiCl，但吸附速率有著較為顯著地提升。Tso 等用兩步法（先浸漬10%的NaSiO，而后浸漬46%的CaCl）制備了活性炭/CaCl/NaSiO，25℃下的最大吸濕量為0.85g/g，且可在55～100℃溫度范圍內實現再生。

Zhao 等用13X 沸石浸漬不同比例的LiCl 和CaCl混合溶液，并測試了復合吸濕劑的吸濕性能。結果發現，在25℃和80%RH 工況下，CS6（混合溶液中LiCl與CaCl質量比為6∶1）的吸附量最大，為1.1g/g。賀楊堃等用硅膠浸漬CaCl和MgCl混合溶液，制備的復合吸濕劑吸濕量可達0.43g/g，是硅膠的2 倍，吸濕速率是硅膠的3.5 倍。Ejeian等分別采用一步法和兩步法制備了ACF/LiCl/MgSO，發現兩步法制得的復合材料性能更好，在20℃和70% RH 工況下吸濕量可達2.2g/g。用2.4g復合吸附劑置于一個小型空氣取水系統，產水量約1.5g/g（25℃和70%RH 下吸附，80℃下脫附，20℃下冷凝）。之后，以太陽能和相變材料為熱源和冷源，在20℃和45%RH 下吸附6h，并在日照下脫附，產水量為0.75g/g。

可以發現，多孔基質材料與吸濕鹽復合會提高吸附性能，但若鹽含量過多，復合吸濕劑將過量吸濕，發生鹽溶液溢出，導致吸濕劑的流失和對系統的腐蝕。

3.2 聚合物-鹽類

3.2.1 聚合物電解質-鹽

聚合物電解質-鹽類復合吸濕劑是以聚合物電解質為基質，混合吸濕性鹽制成。這類復合吸濕劑利用鹽中的金屬陽離子對聚合物電解質原有的離子基團進行改性，從而提升聚合物電解質的吸濕性能。

Yang等用SAP（一種基于聚丙烯酸鈉的聚合物）浸漬LiCl 溶液制得水凝膠SHC，在25℃和99%RH 下的吸濕量最高可達2.96g/g，是純SAP 的兩倍。Li 等制備的由聚丙烯酰胺水凝膠和CaCl組成的柔性光熱復合吸濕劑PAM/CNT/CaCl，25℃和80%RH工況下吸水量可達1.75g/g，而且吸附的水分可在日照下脫附。后將35g PAM/CNT/CaCl置于一體式空氣取水設備，在自然光條件下，單次循環可生產淡水20g。Kallenberger 等以海藻酸鹽衍生的水凝膠為基質，向其中加入CaCl，制得Alg-CaCl。在28℃和26%RH 工況下吸濕量高達1g/g，而且吸附的水分可在100～150℃下實現完全脫附。研究者預測，1m復合吸濕劑單次循環的取水量可達660kg。

此外，向聚合物電解質中浸漬雙鹽還能進一步提升其吸濕量。Entezari 等先后浸漬CaCl和LiCl溶液到海藻酸鈉，制得復合材料Bina/FCNT，在25℃和70%RH 下吸水量高達5.6g/g，是L/FCNT（單獨浸漬LiCl）吸水量的1.5倍，并能在15min 內脫附。將5g 該材料置于取水裝置中，在環境溫度下吸附7h，并在80℃下脫附，產水率達1.16g/g。

3.2.2 MOFs-鹽

MOFs 本身具有較高的吸濕能力，向MOFs 中摻混吸濕性鹽制得復合吸濕劑，可進一步提升其性能。Elsayed 等用MIL-101(Cr)浸漬飽和CaCl溶液制得復合吸濕劑MIL-101(Cr)/CaCl，提升了MIL-101(Cr)在低濕度條件下的吸濕能力，該復合吸濕劑在25℃和30%RH 下的吸濕量高達0.65g/g。不同吸濕性鹽種類改性的復合MOFs 材料吸濕能力不同。Rieth 等研究了三種復合吸濕劑MnCl(BTDD)、CoCl(BTDD)和NiCl(BTDD)，其中，CoCl(BTDD)的吸水性能最佳，在25℃和94%RH 工況下吸濕量為0.97g/g。在沙漠地區（白天45℃和5%RH，夜晚25℃和35%RH）的模擬實驗發現，CoCl(BTDD)一次循環的取水量為0.82g/g，接近MOF-841（0.48g/g）的兩倍。將該吸濕劑應用在吸附式空氣取水裝置中，每千克吸濕劑一次循環取水量可達0.87kg。

此外，復合吸濕劑的吸濕量隨吸濕性鹽含量的升高而提高。Garzón-Tovar 等制備了三種不同CaCl含量的UiO-66 基復合吸濕劑（CaCl@UiO-66_38、CaCl@UiO-66_50 和CaCl@UiO-66_53），在20℃和90%RH 吸附工況下，吸濕量分別為1.93g/g、2.24g/g 和2.59g/g。Xu 等分別用質量分數為33%和51%的LiCl制備了LiCl/MIL-101(Cr)_33和LiCl/MIL-101(Cr)_51。LiCl/MIL-101(Cr)_51 在干旱氣候下也具有很高吸濕量，如在30℃和30%RH工況下，其平衡吸濕量可達到0.77g/g，約為LiCl/MIL-101(Cr)_33的2.6倍、MIL-101(Cr)的15倍。將其應用在太陽能吸附式空氣取水裝置中，在30℃和30%RH 下吸附，在模擬日照條件（1kW/m）下，每千克吸附劑的取水量為0.7kg，在室外日照條件（0.5～0.8kW/m）下，取水量為0.45kg。

表3 總結了聚合物-鹽復合吸濕劑的吸水性能等參數，可以看出，單獨聚合物電解質和MOFs在高濕度條件下的吸濕能力強，但在低濕度條件下吸濕能力略遜。而向其中摻混吸濕性鹽可有效提高吸濕劑在低濕度條件下的吸濕能力，使吸濕劑能滿足寬領域吸附的要求，進而提高了應用此類吸濕劑的吸附式空氣取水系統在干旱地區的取水效果。

表3 聚合物-鹽復合吸濕劑性能參數

3.3 聚合物-聚合物類

聚合物-聚合物類復合吸濕劑可以綜合多種聚合物的性能，表現出獨特的有別于其他復合吸濕劑的特點。其中，以溫敏型復合吸濕劑[在吸濕性聚合物上接枝如聚-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）等具有溫敏性的聚合物]最具代表性，在吸附式空氣取水中逐漸得到了應用研究。

Zhao 等將經氯離子改性的聚吡咯（PPy-Cl）與PNIPAM納米凝膠復合，得到一種具有超高水蒸氣吸附能力的凝膠SMAG。當環境低于40℃時，SMAG的吸濕量與溫度變化基本無關，而與濕度變化關系密切，在30%RH、60%RH 和90%RH 工況下的平衡吸濕量分別為0.7g/g、3.4g/g、6.7g/g。此外，吸附飽和后在40℃下可脫附出約86%的水分，在80℃下基本脫附完全。將該凝膠應用在簡易太陽能吸附式空氣取水裝置中，吸附條件為75%RH（溫度＜40℃），脫附條件為1kW/m的太陽輻射，持續進行28 次吸附-脫附循環（吸附時間為50min、脫附時間為10min），每克吸濕劑可取水55g。Karmakar等利用自由基聚合法將PNIPAM與MIL-101(Cr)合成了復合吸濕劑PNIPAM@MIL-101(Cr)，在25℃和96%RH 工況下吸濕量高達4.4g/g，是純MIL-101(Cr)的4 倍，而且98%的水分可在40℃和40%RH條件下脫附出來。

可以發現，PNIPAM的加入使這類復合吸濕劑既有著高吸濕性，又能通過溫度的變化控制其吸放濕特性，在吸附式空氣取水領域具有廣闊的應用前景。

3.4 多孔材料-聚合物類

除了上述多孔材料-鹽、聚合物-鹽、聚合物-聚合物等復合吸濕劑類別外，近來也出現了多孔材料-聚合物類吸濕材料的報道。Wang等制備了以丙烯酸聚合物乳液包裹碳化硅顆粒的雜化超兩疏表面涂層SAS，該涂層提高了水滴凝結的速率和集水性能。相對于納米SiO超兩疏表面（SOS），在相對濕度為80%的條件下，SAS 在5h 內的集水量比SOS 提高了394%，集水率是SOS 的兩倍以上。Chen等將硅膠、聚丙烯酸和聚丙烯酸鈉按10∶1∶1的比例混合合成了復合吸濕劑SC/PAA/PAAs，該材料在25℃和90%RH 的平衡吸濕量為0.52g/g，是硅膠的1.5 倍（0.35g/g），而且還能實現40～50℃下的脫附。Yao 等用聚丙烯酸鈉和氧化石墨烯制備了復合吸濕材料PAAS/GO。由于聚丙烯酸鈉的存在，復合吸濕劑表現出高吸濕性，在25℃和15%RH 工況下的平衡吸濕量為0.14g/g，25℃和100%工況下的吸濕量可達5.20g/g。氧化石墨烯的光-熱轉化能力讓復合吸濕劑擁有較低的再生溫度（60℃），使其在太陽光照射下便可實現脫附。以PAAS/GO 為吸附劑的太陽能吸附式空氣取水裝置，在室外測試環境下，每千克吸濕劑每天可取水約25kg。

可以看出，該類復合吸濕劑在高濕環境下的吸水性能較好，且再生溫度可以低至40～50℃。

4 經濟性分析

吸濕材料的價格是工程應用的一個重要指標，然而現有文獻鮮有關于吸濕劑價格的報道。因此，對于單一的吸濕材料，如多孔材料、吸濕性鹽、聚合物等，通過搜索各類化學材料供應商網站獲得相應價格，如表4所示。對于多孔基質-鹽和聚合物-鹽復合吸濕材料的價格可通過式(1)估算。

表4 單一吸濕劑價格

式中，RMB指吸濕鹽價格；指制備復合吸濕材料的鹽溶液質量分數；指鹽溶液與固體多孔材料的質量比，簡稱液固比，RMB指多孔基質的價格，CNY/kg。

余楠等的研究指出，對于多孔基質-鹽復合吸濕劑，推薦液固比為6。目前未見關于聚合物-鹽的最佳固液比的報道，假定聚合物-鹽的固液比范圍為1～6，并進行相應計算。各種復合吸濕材料的價格如表5所示。

表5 復合吸濕劑價格

5 結語與展望

基于吸濕材料的吸附式空氣取水技術被認為是解決全球水資源短缺問題的有效手段。吸濕劑作為空氣取水的核心，對吸附式空氣取水系統的取水效果起著關鍵作用。隨著材料科學的快速發展，各類新型吸濕材料層出不窮，并在吸附式空氣取水系統中得到了應用。目前，在提升吸濕材料自身的平衡吸附性能和吸附/脫附動力學性能，以及降低再生溫度等研究方向已經取得了較大突破，但是為了推進吸附式空氣取水技術早日實現從實驗室研究到規模化工業應用，未來仍需要在以下幾個方面加強研究。

（1）強吸濕性鹽在高濕氣候條件下容易出現過量吸濕液解，存在腐蝕吸附床的隱患。有機弱酸鹽具有良好的吸附能力和低腐蝕性、低揮發性等優點，這在今后吸附式空氣取水系統中也會是一種趨勢。

（2）采用新型材料制備技術對多孔材料進行結構改性，提高材料吸濕性能。

（3）借鑒自然界生物的結構特性，研制仿生吸濕材料。

（4）在研發兼具高吸附和低溫再生性能的空氣取水用吸濕材料過程中，加強對吸濕材料的長期使用穩定性、經濟成本、環保安全性、制備難度等問題的研究。