太阳能吸附式空气取水研究进展

赵惠忠，雷敏，黄天厚，刘涛，张敏

(1.上海海事大学 商船学院，上海 201306；2.上海海洋大学 食品学院，上海 201306)

根据全球水资源研究所(GWI)的数据，地球上约97.5%的水属于海洋中的咸水，剩下的2.5%是地表水、极地冰和地下水，很多国家和地区面临着水资源短缺的问题[1]。解决水资源匮乏问题的方法有区域调水、海水淡化和空气取水。空气中蕴含着大量的水蒸气，拥有着丰富的水资源，从空气中取水可以不受时间和空间的限制[2]。因此，空气取水技术可以成为解决淡水资源短缺问题的有效措施，空气取水成为学者们的研究热点[3-4]。空气取水方式有：制冷结露法[5-7]、吸收冷凝法[8-9]、吸附冷凝法[10]。吸附冷凝法相对于制冷结露法和吸收冷凝法而言具有一定的优势，取水设备结构简易便于布置，体积较小可用于携带，取水效率高且能耗小[11-13]。因此，吸附冷凝法有着潜在的研究价值和应用前景，受到相关研究领域的关注。太阳能吸附式空气取水是一种将吸附冷凝法与太阳能光热技术相结合的空气取水方法，本文将针对此技术的研究进展进行讨论。

1 太阳能空气取水管

太阳能空气取水管(Solar Watering Tube简称SWT)[14-15]是基于吸附/解吸理论，通过吸附床吸附空气中水蒸气并利用太阳能解吸凝结获得液态水的一种制水单元。SWT的主要结构有：真空集热管、复合吸附剂吸附床、吸附床水蒸气通道、吸附床顶端滤网、密封塞、冷凝管、集水瓶等，其制水循环过程见图1。

图1 SWT制水循环示意图

吸附过程：夜间，SWT吸附床与密封塞分开，潮湿的空气流经吸附床，当温度降到足够低时，吸附床开始吸附大气中潮湿的水蒸气，流动的空气将产生的吸附热不断带走。吸附过程大概持续12 h，至次日早晨结束。

脱附过程：次日白天，将密封塞置于吸附床顶端、滤网下端进行密封，并将吸附床按照一定的倾角(当地的太阳角)放置以便于接收太阳能辐射。吸附床在接收太阳能辐照后，吸附剂温度迅速上升，最高可达200 ℃以上。当吸附床的温度足够高时，被吸附的水蒸气开始脱附，从吸附床内解吸出来。脱附出的水蒸气沿着吸附床水蒸气通道经过密封塞中心的导管进入冷凝管，冷凝成液态水后靠重力作用流到集水瓶保存起来。

整个白天均是脱附制水的过程，傍晚时刻，太阳能辐射减弱，复合吸附剂吸附床温度降低，不再有水蒸气脱附出来，此时，将太阳能制水管吸附床与密封塞分开，重复夜间吸附过程。

由于SWT的吸附床是灌装在太阳能真空管内，太阳能集热真空管的集热性能对SWT的性能参数具有重要影响。Hoffmann R等[16]从环境、经济角度分析比较了太阳能集热真空管和平面集热器的集热性能，研究结果表明：从环境角度来看，考虑到真空管太阳能集热器在制造过程中产生的影响最小，真空管太阳能集热器是最佳选择；然而，在经济上，真空管集热器系统需要更大的投资。因此，在资金不足的情况下，平板集热器的选择更具吸引力，尽管其生产过程污染更大；在资金允许的情况下，真空管是最明智的选择。Sharafeldin M A等[17]研究了含三氧化钨/水纳米流体真空管太阳能集热器的热性能，实验发现：随着纳米粒子的加入，真空管太阳能集热器的效率提高，热光效率可达到72.8%，改变纳米颗粒的固体含量可以提高热导率，这对提高太阳能集热器的效率起着主导作用。

2 吸附剂的研究现状

太阳能吸附式空气取水不仅与太阳能取水管的集热性能相关，在很大程度上还取决于吸附剂的吸附性能。吸附剂的吸附性能对空气取水效率具有重要的影响，在太阳能吸附式空气取水中起着关键作用[18]。吸附剂在吸附过程中所吸附的水蒸气质量即吸附量的大小反映了吸附剂的吸附能力[19]。因此，太阳能空气取水的效益大小主要受吸附剂的吸附量、吸附速率、吸附和脱附温度及循环吸附周期等方面的影响。目前，已研究出来的吸附剂种类众多，吸附性能各有优劣，本文主要介绍传统型吸附剂、高效型改性复合吸附剂和新型金属有机框架材料三种类型的吸附剂。

2.1 传统型吸附剂

传统型吸附剂主要有硅胶、分子筛、活性炭、无机盐(LiCl、LiBr、CaCl2)等[20-24]。

硅胶具有开放的多孔结构，吸附性能较强，能吸附多种物质，但对于太阳能空气取水来说，硅胶的缺点是耐热性弱，白天在高温下脱附时易烧毁[25]。分子筛的孔道均匀规整，比表面积大，耐热性较强，能适用于低压和高温条件下的吸附环境，但同时对活化温度要求也较高，吸附能力比硅胶弱。活性炭的空隙结构发达，比表面积较大且表面化学基团丰富，是一种使用范围较广的吸附剂。无机盐吸附材料的吸湿量大，吸附能力强，但其不足是易潮解，生成液体后腐蚀性较大，会对吸附设备产生不利，从而对吸附性能产生严重影响[26]。

不同种类的吸附剂具有不同的吸附性能，传统型吸附剂材料制备简单，已形成商业化，可大量获取且价格便宜，可应用于大型太阳能空气吸附式取水系统，但其吸附效率仍有一定的提升空间。

2.2 高效型改性复合吸附剂

为了解决传统型吸附剂吸附量不高的问题，国内外学者利用吸附剂改性开发了更高效的复合吸附剂，提升了吸附剂的吸附率，进而推动了太阳能吸附式空气取水技术的发展。目前复合吸附剂的配制方法主要有三种：干混法、浸渍法和固化法。干混法是将多孔吸附剂和无机盐按照一定的比例通过研磨充分混合；浸渍法是将多孔吸附剂浸渍到不同浓度的无机盐溶液中，浸泡一定时间后再烘干，从而得到混合均匀、充分的复合吸附剂；固化法是通过黏结剂或模具压制来获得传热传质性能较好的块状的成型吸附剂，但是这种方法制取过程较为复杂，需要相应的模具，固化密度也难以控制[27]。

针对复合吸附剂的研究，我们研究团队在改性复合吸附剂上做了相关研究，并取得了一定的进展，以下对本团队所获得的实验成果进行介绍。

本课题组设计搭建了一种整体成型吸附剂性能测试装置，并测试了复合吸附剂MgCl2-13X的吸附性能[28]。该实验采用5%，10%，15%和20%四种不同质量分数的MgCl2溶液来浸泡13X沸石分子筛，并使用MX1，MX2，MX3和MX4来标记获得的复合吸附剂，测得复合吸附剂吸附率及吸附速率随时间的变化，主要结论及分析如下：13X沸石分子筛经过MgCl2溶液浸渍后吸附性能有所改变，复合吸附剂MX3性能最佳，此时所使用的MgCl2质量分数为15%，最大吸附量达0.32 g/g，最大吸附速率为0.59 g/min，比单纯的13X沸石分子筛提升了20%。

在此实验的基础上，本课题组又将不同含量的多壁碳纳米管(MWCNT)加入复合吸附剂13X/MgCl2中以制成新型复合吸附剂[29]，实验结果表明：新型复合吸附剂13X/MgCl2/MWCNT在开式系统中的平衡吸附量为0.52 g/g，闭式平衡吸附量为0.38 g/g，分别是单一的13X吸附量(0.24 g/g)的2.2和1.6倍。新型复合吸附剂的热导率可达到0.265 W/(m·K)，是13X热导率的4.9倍，具有明显的提高。

本课题组进而提出了一种由粗孔硅胶和氯化镁制成的复合吸附剂，研究了不同配制参数对复合吸附剂吸附性能的影响[30]。实验表明：在平均温度 29 ℃，相对湿度76.1%的条件下，随着MgCl2溶液浓度的增加，复合吸附剂的平衡吸附量和吸附速率也随之提高，Mg7的平衡吸附量可达0.345 g/g，是粗孔硅胶(Mg0)的2.95倍。在平均温度30.7 ℃，相对湿度75.4%的条件下，将复合吸附剂测试了120 h，结果发现吸附量随着浸泡时间的增加而升高。因此，MgCl2溶液浓度、浸泡时间对复合吸附剂的配制具有重要的意义，并且影响复合吸附剂的吸附特性。

我们研究团队通过改进设计，建立了一个新的实验装置[31]。实验测试了13X/CaCl2复合吸附剂在真空条件下的吸附性能，得出CaCl2溶液质量分数为5%和10%时所制得的复合吸附剂的性能优于纯沸石13X，且质量分数为10%时效果更好，而质量分数为15%和20%的CaCl2溶液所制得复合吸附剂的平衡吸附量比纯沸石13X低。CA10X(10% CaCl2/13X)和13X的平衡吸附量可达0.37 g/g和0.35 g/g，复合吸附剂的平衡吸附量比13X吸附剂提高了5.7%。复合吸附剂CA10X和13X在200 ℃条件下具有相同的平衡吸附率，说明复合吸附剂CA10X可以吸附更多的水蒸气，在吸附式制冷系统中具有较好的性能。

此外，刘金亚等[32]针对太阳能储热型吸附式空气取水器吸附剂和储热材料的选择，分别研究了以膨胀硫化石墨(ENG-TSA)和活性炭纤维(ACF)毡为基质的复合吸附剂的吸附性能和导热系数。结果表明：ENG-TSA-LiCl复合吸附剂的吸水量和导热系数最大可达1.54 g/g和5.67 W/(m·K)。真空浸渍法制备的ACF-LiCl复合吸附剂相对于大气浸渍法来说，其吸水量明显提高，ASLi40固化吸附剂的吸水量较为可观，为1.59 g/g，适用于大批量生产。杨凡等[33]通过将氯化钙(CaCl2)与多壁碳纳米管(MWNT)研磨配制组成了一种复合吸附剂，在低湿度条件下，测得了氯化钙质量分数分别为40%，50%，55.6%时3种不同配比复合吸附剂的吸附情况。研究结果表明，复合吸附剂吸附速率和平衡吸附量随着湿度升高而提高；但在25 ℃、相对湿度35%的低湿度工况下，当氯化钙含量超过50%时，复合吸附剂外表面氯化钙将会出现结晶问题，从而导致吸附剂吸附速度降低。

2.3 新型金属有机框架材料

近十年来，金属有机骨架材料(MOFs，Metal-Organic Frameworks)得到迅猛发展，MOFs是一种由金属离子与有机配体通过配位键组装成的配位聚合物，这种材料的孔隙率可以达到90%，密度极低(0.2～1 g/cm3)，比表面积和孔隙体积较高[34-37]。其中部分金属有机框架材料在水蒸气吸附上表现出了极高的吸附能力，为吸附制冷、空气取水等领域提供了新材料选择的可能。

针对金属有机骨架材料的研究，我们研究团队正在开展一些研究工作，采用水热合成法制备水热稳定金属有机骨架MIL-101(Cr)，其制备实验照片及样品见图2，并对其吸附性能进行了测试，实验将MIL-101(Cr)，细孔硅胶作为研究对象，选取不同的工况，测试并对比了MIL-101(Cr)与细孔硅胶的吸附性能，实验装置见图3。实验发现MIL-101(Cr)相对于细孔硅胶而言，水吸附量具有明显提高，这说明了MIL-101(Cr)是一个具有极大研究价值的吸附材料，本课题组也将对此进行更深入的研究。

图2 (a)反应釜；(b)MIL-101(Cr)样品

图3 恒温恒湿箱吸附实验装置示意图及实物图

国外其他研究团队对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-8五种金属有机骨架的水物理吸附性能和水稳定性，测得MOFs的比表面积SA、总孔体积VN2、总孔体积VH2O和吸附热(HoA)，实验结果见表1。研究发现，HKUST-1对水具有较高的亲和力，但在高湿度条件下不宜作为干燥剂使用，HKUST-1在323 K水中浸泡24 h后，骨架结构将发生不可逆转的变化；MIL-101、MIL-100(Fe)对水蒸气的吸附量非常可观，水稳定性较好，具有很大的研究前景；DUT-4吸附量较小，而ZIF-8则表现为一种高度疏水的微孔材料。Hiroyasu Furukawa 等[39]为了寻找性能优良的多孔材料，用孔隙中水的冷凝压力、吸水能力、材料的可回收性和水稳定性这三种标准研究并比较了23种材料的吸水性能，其中有20种是金属有机骨架材料。实验确定了23种材料的永久孔隙度，并测定了它们的吸水率，根据上述三个标准，MOF-801-P和MOF-841的吸附性能最佳，且水稳定较好，5次吸附解吸循环后体积不变，在室温下容易再生。Adam J Rieth等[40]报告了一种介孔金属有机框架，在环境低于30%的相对湿度下吸附率高达82%，在模拟沙漠环境下，MOF的吸附量可达到0.82 g/g，几乎是之前最佳材料的2倍。

表1 MOFs的比表面积SA、总孔体积VN2、总孔体积VH2O和吸附热(HoA)

3 太阳能吸附式空气取水装置的优化设计

3.1 太阳能空气取水器

吸附式空气取水器具备较高的集成度，以吸附剂为主导，其性能参数对取水器的效能与运作方式具有决定性作用[9]，此外，空气温湿度、对流速度、对流强度[41]和传热过程[42-47]等因素对此也有一定的影响。空气取水器主要分为太阳能制冷结露法空气取水器和太阳能吸附式空气取水器，太阳能制冷结露法空气取水器所需的能量转换环节太多，集热等可用能损失较大，取水率低；相比之下，太阳能吸附式空气取水器仅有集热和冷凝两个能量转换环节，可用能损失大大减少，取水率则大为提高[48]。因此，太阳能吸附式空气取水器是目前已知的仅仅只利用太阳能从空气中取水的装置，指明了空气取水器未来的研究方向。

侴乔力团队[49]通过改进冷凝罩、透光罩的布置方式来加速冷凝过程和提高集热效率，并采用金属网球来分隔吸附剂，提供了一种透光良好、冷凝迅速、吸附彻底、集热高效的太阳能吸附式空气取水器。刘金亚[11]设计了一种吸附式空气取水装置，该装置主要由太阳能集热器、吸附床和冷凝器等组成，装置设计了无动力风帽，有风时其可旋转以带动设备内空气流通，提高了取水装置的吸附性能。

尽管国内外学者在太阳能吸附式空气取水上进行了一定研究，但太阳能吸附式空气取水器的设计及应用发展速度却极其缓慢。研制高效取水、携带便捷、可用于商业生产的空气取水器，以解决干旱地区淡水资源匮乏、交通运输困难等问题是吸附法未来的重点研究领域。

3.2 吸附床的强化

吸附床是整个太阳能吸附式空气取水系统的核心部分，其传热传质的性能对整个系统的性能有着至关重要的影响。吸附床传热传质性能强化的途径主要是吸附床结构优化，对吸附床内吸附剂进行物化处理。毕崟等[50]采用新型的氯化锂-硅胶吸附床对太阳能/废能驱动吸附/解吸循环进行了数值研究，并设计了一种专门的吸附床，该结构不仅能使太阳辐射和热空气(由余热产生的)通过，还可以使吸附床空隙中的水蒸发出来，在此基础上，对太阳辐射和余热共同作用下的吸附及解吸过程进行了模拟。吸附/解吸周期由吸附量、吸附率和除湿性能系数(DCOP)及其相关因素决定，例如工作模式切换时间，加工/再生空气和太阳辐射的参数数据等。研究结果表明，在典型的温湿条件(30～35 ℃，70%～80% RH)下，该系统能够取得良好的性能，吸附量为7～7.2 g/kg，吸附率为0.4～0.5，DOCP为0.35～0.37。太阳辐射强度增加到1 800 W/m2时可使DCOP从1增加到5。此外，吸附剂床的结构系统也进行了优化，推荐气流通道长度0.7～0.9 m、气流转向数为5～7，根据功能的不同，建议换床时间为2.5～3 h。与传统吸附系统相比，新系统在化石燃料能源利用方面可节约90%左右。

4 结束语

空气取水技术为水资源短缺地区如沙漠和海岛等获取淡水资源提供了一种新思路，该技术目前还处于发展阶段，尽管太阳能吸附式空气取水从理论和实践角度来看具有极大的可行性，但依然存在一些弊端，限制了该技术的大面积推广及应用。

太阳能吸附式空气取水目前所存在的主要不足是取水率低，研制出具有极大出水量的吸附剂是解决该问题的核心。根据现阶段对吸附剂的研究来看，传统型吸附剂在用于大型空气取水系统中具有价格便宜，获取渠道容易等优势，但其吸附率依然有待提高；新型金属有机框架材料在空气取水中表现出非凡的潜能，但也存在着制备繁琐、价格昂贵、研究条件受限等问题。因此，研制出同时具备以上两类吸附剂优良性能的吸附材料是未来吸附法的发展趋势，同时，这也要求该领域的研究学者在材料性能优化和新材料的开发应用等方面做出更大努力，将空气取水技术与其他领域的相关科技结合，协同发展。此外，空气取水器的发展滞慢也在很大程度上限制了空气取水技术的大型推广，我们若能在前有技术上有所改进并加以创新，引用机械设计等技术，制备出高效率、高性能、结构美观、体积大小能满足不同地区和环境的需求的空气取水器，其应用前景将会更加广阔，并有望为以后实现大型化、商业化生产作出贡献。