太阳能空气制水技术研究

滑迎辉,郝刘仓,苏浩,吕志强,李丹丹（中国船舶重工公司第七一八研究所，河北邯郸056027）

太阳能空气制水技术研究

滑迎辉,郝刘仓,苏浩,吕志强,李丹丹
（中国船舶重工公司第七一八研究所，河北邯郸056027）

本文利用制备的一种吸水材料装填在自主设计的太阳能空气制水装置中，可以从空气中制取干净的饮用水，介绍了吸水材料的制备方法和太阳能空气制水装置的设计，研究吸水材料的吸水率和装置的制水试验效果。

太阳能；空气制水；吸水率；出水率

1 研究的前景及意义

淡水是人类社会生存和发展不可缺少的资源之一,但是随着人类的发展、工业的进步、环境污染、人口增多等，不可避免的破坏了淡水资源，世界上可用的淡水资源逐渐短缺，一部分国家和地区大量缺乏生活用水。因此，如何获得淡水成为了当前人类社会关心且尚待解决的问题[1]。

空气制水技术是近年来新兴的一种解决淡水危机的技术途径，其原理是是采取一定方法收集空气中的水资源并加以利用。据统计，空气中的总含水量大约14,000km3[2]。地球大气层含有大量的水蒸汽，即使是沙漠地区，其含水量也超过10g·m-3。空气制水的方法可分为：机械方法、制冷结露法、吸附法。本文设计了一种太阳能空气制水用吸水材料和装置，能源驱动为太阳能，水源来自于大气中以气态形式存在的水蒸汽，根据实际需要来适时制取饮用水和生活用水，尤其对于淡水资源被污染淡水供应不足的地区可以发挥很好的作用。

2 太阳能空气制水技术原理

水蒸汽冷凝是一个传质过程，即水蒸汽分子在气相和液相之间传递的过程。传质需要推动力，这个推动力就是水汽平衡分压即水的饱和蒸气压，与水表面的实际蒸气压或者说是空气中的水汽分压之间的差值。要使水蒸汽冷凝，就要使空气中的水汽分压大于水的饱和蒸气压。空气中的水汽分压在湿度不变时是不会变化的，但水的饱和蒸气压却与温度是单一函数关系，降低温度，就会使水的饱和蒸气压降低，当水的饱和蒸气压低于空气中的水汽分压时，水蒸汽就会冷凝，这个温度就是露点。当温度低于露点时，水蒸汽就会冷凝。在总压一定的情况下，露点与空气中的水汽分压是单一函数关系。

图1吸水材料的吸附热力循环Fig.1 Adsorption thermodynamic cycle ofwater absorbing material

图1 表示的是吸水材料的吸附热力循环过程。AB代表吸水材料被加热脱附后的冷却过程，BC代表吸水材料在环境空气中水蒸汽分压p2下的冷却吸附过程，吸附质量由m2增大到m1，CD代表吸附饱和后的吸水材料在取水装置中的加热过程，装置中水蒸汽分压p2增加到冷凝温度对应的饱和压力p1，DA代表吸水材料的加热过程，此时水蒸汽在冷凝温度对应的饱和压力下凝结并流入储水装置。一次循环的脱除水量为△m=m1-m2。

采用多孔吸附介质和无机盐制备的复合材料作为吸水材料。吸水材料通过微孔内的无机盐与水分反应生成水合物来吸附空气中的水分，吸附过程化学反应方程式如下：

A+n H2O→A·n H2O

当富含水蒸汽的空气通过吸附床时，吸水材料对水蒸汽进行吸附，并最终达到吸附饱和。通过太阳能对吸附床进行加热，吸水材料中的水合物分解为无水无机盐和水蒸汽，完成脱附过程。脱附后的水蒸汽进入冷凝器，当温度低于其露点温度时，便在其上凝结，形成液态水见图2。脱附过程化学反应方程式如下：

A·n H2O→A+n H2O↑

图2 吸水材料吸附、脱附过程Fig.2 Adsorption and desorption processes ofwater absorbingmaterials

3 吸附剂的制备

3.1 试剂和仪器

5mm的负载型γ-Al2O3球、分析纯LiCl、二次蒸馏水。

干燥箱、浸泡设备、超声波振荡器、电子天平、搅拌棒。

3.2 制备方法

准确称量外径为5mm的负载型γ-Al2O3球，清洗后将其装到烘干托盘中，放入具有通风功能的干燥箱内加热烘干，加热温度设为120℃，干燥时间为4h。然后关闭干燥箱，γ-Al2O3球在干燥箱内自然降温到常温，得到干净无吸附杂质的γ-Al2O3球。按照70∶30的比例准确称量去二次蒸馏水和分析纯氯化锂的重量，将去离子水放入浸泡设备中，底部对容器进行加热保持其80℃的溶液温度，将称好的分析纯氯化锂粉体缓慢加入到温度80℃的二次蒸馏水中进行搅拌均匀。将已降温后的负载型γ-Al2O3球加入到用去离子水配制的30%LiCl水溶液中浸泡4h，然后用超声波振荡10min，再次进行浸泡4h，接着超声波振荡10min。将吸收了LiCl溶液的γ-Al2O3球从浸泡设备中取出，将其装到烘干托盘中放入干燥箱内加热烘干，加热温度为120℃。干燥或烘干至恒重，得到最终的吸水材料。

4 太阳能空气制水装置组成及工作过程

4.1 装置组成

太阳能空气制水装置由太阳能管、吸附-解吸柱、风机、阀门、水处理器、储水器、冷凝器组成。

图3 太阳能集热管式空气制水器示意图Fig.3 Schematic diagram of solar collector tube air cleaner

图4 太阳能集热管式空气制水器实物图Fig.4 Solar collector tube type airwater purifier physicalmap

4.2 装置工作过程

将制备的吸水材料填充到吸附-解吸柱中，吸附过程：阀v1和v2通、阀v3和v4通、阀v6和v7闭合。风机将经过滤网过滤的环境湿空气通过v1和v2鼓入吸附-解吸柱，水蒸汽被吸水剂吸附后，成为干燥空气经过v3和v4排放到环境中。通过测试进出口空气的湿度来确定吸水材料是否吸附饱和。吸附饱和后进行解吸过程：阀v1、v2闭合、阀v3和v5通、阀v6和v7通。吸附-解吸柱通过外层的太阳能加热管加热吸水材料，使其吸附的水蒸汽脱附在装置中形成内循环的湿空气，湿空气经过冷凝装置时会被冷却到露点温度以下，以液态水的形式凝结，液态水经水处理设备转化为饮用水，最后汇聚到储水箱中。

5 结论

太阳能吸水材料平均吸水率可达68.5%，装置的出水率可达51.5%，且多次吸水、出水，吸水材料粉末较少且无破裂的现象。与传统高吸水性树脂和吸水硅胶相比，在用太阳能加热时此吸水材料不会析出有毒的挥发性有机物而影响冷凝水的水质，检测结果见表1。

表1 太阳能吸水材料吸水情况Fig.1 Absorbent condition of solar energy absorbentmaterial

［1］张欣茹，姜泽毅，等，新的淡水资源-空气取水［J］.水资源保护，2007,23（3）：60-62.

［2］薛殿华.空气调节［M］.北京：清华大学出版社，1991.

Study on solar water technology from air

HUA Ying-hui,HAO Liu-cang,SU Hao,LV Zhi-qiang,LIDan-dan
（The 718th Research Instisute Of CSIC,Handan 056027，China）

In this paper a kind ofwater absorbingmaterial filling in the independent design of solar water system of air device was prepared.It can be obtained from the air and clean drinking water.The preparation methods ofwater absorbingmaterials and the design of solar water system of air device ware wtroduced,the bibulous rate of water absorbingmaterials and deviceswater test resultswere studied.

solarenergy;water system ofair;bibulous rate;yield

TQ127.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170781

2017-03-16

滑迎辉（1985-），男，工程师，2012年毕业于中国舰船研究院，应用化学专业，硕士，主要从事空气净化相关专业方向。