基于吸附/解吸式太阳能空气取水设备的研究进展

杨杰,林越,陈珍慧,汪新宇

(上海海事大学 商船学院,上海 201306)

水是人类及众多生物赖以生存的基础。研究表明,全球近40亿人每年至少有一个月面临着严重的水资源短缺问题[1]。为了应对淡水资源短缺这一迫切问题,出现了3种主要的淡水处理收集技术,即海水淡化[2]、废水再利用[3]和空气取水[4]。众所周知,地球上的淡水也含有空气中的水蒸气,总量达13万亿升[5]。收集空气中的水蒸气,不仅节省了大量的劳动力和能源成本,而且在地球上的广泛领域显示出广泛的普遍性。此外,空气中的水蒸气含有更少的杂质和细菌,从空气中收集的水可以达到饮用水标准,无需复杂的净化和杀菌过程。空气取水的方法按原理主要可分为制冷结露法[6],吸附/解吸法[7],聚雾取水法等[8]。其中吸附/解吸法主要利用吸湿材料从空气中吸湿,然后高温解吸。解吸水的理想能量来源则由太阳能提供。在吸附阶段,对水分子具有高亲和力的吸湿材料捕获大气中的水分子,并在表面或内部结构中富集水。经过加热,浓缩的水蒸气从吸附材料中释放出来,然后冷凝并收集为液态水。同时在水释放后,吸附材料可以再生并在下阶段重复使用。

近些年,针对吸附/解吸式空气取水的研究得到快速发展,研究人员在探究先进的吸附材料以提高产水效率方面投入了大量精力。虽然对于吸附/解吸式空气取水,吸附剂具有不可否认的重要性,但空气取水设备也会影响大气集水系统的性能。因此,在这篇综述中,我们对现有的吸湿材料进行简单总结,重点对空气取水相关设备的发展进行分类归纳,并对现有吸附/解吸式空气取水设备待解决问题及未来研究的发展方向进行了分析和展望。

1 吸湿材料的发展现状

基于吸附/解吸的空气取水方式中,吸附剂材料是决定取水设备性能及其适用环境条件的关键因素之一。理想吸湿材料应具备广泛适用的相对湿度范围、高吸湿性能、快速吸附动力学特性以及易于循环再生[9-10]。常见用于吸附/解吸式空气取水的材料可以分为几类:多孔纳米固体、吸湿聚合物、盐基复合材料和液体吸附剂。

1.1 多孔纳米固体

多孔纳米固体主要指具有均匀(亚)纳米尺寸的孔的固体材料。由于其固有的孔结构及其表面特性,当被用于水吸附的时候,可以随着某一特定温湿度而发生显著变化。传统的多孔纳米材料,如硅胶、沸石、活性炭等[11],它们被用于早期的空气吸湿。其中硅胶作为日常生活中常用的吸附材料,它们主要通过氢键进行吸附,具有低成本、无毒及良好的吸附动力学等优点,但其总孔容小,吸湿能力有限;沸石被认为是用于吸附/解析式空气取水的第1种吸附剂,被广泛应用于吸附式实验,但其具有高再生温度和导热性低等缺点;活性炭表面具有疏水性,同时其内部存在大量水分子难以接近的微孔。因此新型纳米多孔材料的开发应用受到更多的科学关注。

金属有机框架(MOF)是一种特殊的多孔材料,之所以对吸附/解吸式空气取水具有吸引力,是因为它能够根据环境的需要,通过合理调节孔结构和化学性质来实现高吸湿性能。同时它们还具有高孔隙率、高比表面积、低解吸焓等优点。但为了进一步推进MOFs在吸附/解吸式空气取水中的应用,需要特别注意其水稳定性。由于吸湿的应用,MOF材料不可避免与水分子接触,而水解会破坏金属-配位键的结合,进而使其结构破坏。另一方面,MOF仍具有低导热、低毒性、价格高昂,不适合商用等问题,还有待研究人员进行探索解决。

1.2 吸湿聚合物

与多孔材料通过孔隙来吸附空气中的水分不同,吸湿聚合物主要靠吸收来捕获空气中的水分,并存储在聚合物主体。吸湿性能主要由聚合物网络自身性质决定。常见的聚合物主要以水凝胶为主,水凝胶自身机械性能较差、导热性能较低,但其可以很容易地进行改性或功能化,使其可以广泛应用于吸附/解析式空气取水。通过与光热材料(碳纳米管、石墨烯)结合使用,提供给水凝胶支撑骨架,在提高水凝胶机械性能的同时,可实现利用太阳能高效水解吸和吸附再生。

将吸湿性聚合物与响应材料相结合是一种新型吸附/解吸式空气取水材料[12]。这种将水分直接转化为可收集液态水的方法为新型大气集水器的设计为后续研究提供思路,后续也可以尝试从光敏[13](螺吡喃)、磁敏亲疏水转换材料等角度进行设计开发聚合物吸湿材料。

1.3 盐基复合材料

吸湿盐由于其成本低、吸湿性能高而在吸附/解析式空气取水领域受到广泛关注。然而,限制它们使用的一个缺点是潮解盐会与吸附水结合成为盐水,导致吸附动力学降低、系统腐蚀和难以回收吸附剂。针对这一问题,目前主要的解决方案是将潮解盐放入某一设定的基质中,负载的盐起到捕获水分的作用,而基质作为保存盐溶液的容器。近年来,已经进行了大量研究以开发功能性宿主基质以实现更好的集水性能,报道的基质可分为多孔材料[14]、中空结构材料[15]、纤维基材[15]和聚合物网络[16]。

但无论是哪种基质,都不可避免的要考虑盐泄露问题。目前针对盐泄露问题,研究人员提出了以下解决办法:(1)制备吸湿材料时,通过调节盐溶液浓度控制基质中的载盐量[17];(2)吸附过程中,通过控制环境湿度和吸湿时间来避免吸收太多水分[18];(3)使用疏水透气涂层或膜将含盐基质包裹[19]。

1.4 液体吸附剂

液体吸附剂,由于其自身提供的平衡水蒸气压低于相同温度下的自由水的平衡水蒸汽压,从而可以连续从空气中吸收水分[20]。常见的液体吸附剂有浓盐溶液和离子液体[20-21]。其中浓盐溶液中,LiCl、CaCl2的浓缩溶液应用最广泛[22]。由于它们具有较低的水蒸气压,使得它们可以从空气中富集水分。然而,值得注意的是这些卤化物盐对金属基系统具有固有的腐蚀性,必须进行特殊设计,以克服长期实际应用中的负面影响。另外,离子液体的吸湿性主要取决于阳离子和阴离子的类型,以及它们的相互作用强度[23-24]。研究人员可以通过选择合适的阴阳离子来得到适用于吸附/解吸式空气取水的吸附剂。但液体吸附剂的解吸过程比固体吸附剂需要更多的热量,所以一般将液体吸附剂与定制的界面太阳能吸收剂相结合是充分利用材料的好方法[25]。

2 空气取水设备

在开发新的吸湿材料的同时,研究人员也引入了许多取水设备,主要根据吸附床的数量、每日的循环次数以及产水量对其进行评估。通常,对于空气取水设备,若吸附和解吸过程(即每日的循环次数)受到日落与日出的影响,则为被动型设备;反之,则为主动型设备。另外现有的取水设备一般只有一个吸附床,大多系统都会出现不连续运行的状态,部分研究人员通过增加吸附床的数量和同时运行相位差来创建一个准连续或连续的过程。因此,基于吸附/解吸式太阳能空气取水系统也可以分为三大类,不连续型、准连续型和连续型。

到目前为止,吸附/解析式空气取水设备主要以被动不连续型为主,研究人员正尝试向主动准连续型、主动连续型设备发展。

2.1 被动不连续型

被动不连续系统,即吸附/解吸受日出日落影响,水在夜间被吸附,在白天进行解吸脱附,每天进行一次吸附-解吸循环。目前大多数空气取水装置都为被动不连续型,同时部分类型取水装置已经可以被等比例放大应用于大规模空气取水。到目前为止,被动不连续系统根据吸附床与冷凝器相对位置的不同提出了两种不同的结构。

2.1.1 吸附床置于底部 该设备结构与太阳能蒸发器相似[26],采用单层吸附床,且位于箱体底部,同时在箱体上端或侧壁利用玻璃罩作为冷凝器进行冷凝水。Kumar等[27]设计的取水设备则将吸附床置于了箱体底部,其中干燥剂材料(硅胶和木屑/CaCl2)设置在盒子底部的金属丝网中,箱顶部由玻璃制成,倾斜角度为30°。在夜间,潮湿空气进入箱中,干燥剂材料能够吸附空气中的水蒸气。白天,空气不再被允许进入,来自太阳辐射的热能被用来提高温度并解吸干燥剂材料,释放水蒸气,然后在玻璃盖上冷凝收集。在印度气候条件下,实验结果表明,硅胶和木屑/CaCl2每天的产水量分别约为200,180 mL/kg。Fathieh等[28]使用吸附剂床周围的反光罩将冷凝器移至侧壁。该系统在夜间从沙漠空气中捕获水,并在白天暴露在阳光下时释放捕获的水。释放的水蒸气被吸附剂床的环境冷却并在冷凝器上液化以进行收集。这个收集周期一直持续到白天结束,然后下一个捕获周期开始。为确保有效冷凝,使用红外反射涂层将冷凝器单元的温升降至最低。使用MOF-801后,这种被动收割机的日均产水量约为0.1 L/kg吸附剂,适用的RH低至20%。

当吸附床置于底部时(热源放置在冷凝器下),在系统内部会产生对流换热,这虽然便于水蒸气冷凝,但同时也限制了床层吸附床的温度。此外,向上的热气流和向下的冷气流的相互干扰也会导致系统出现显著的能量损失。当热蒸气碰到冷凝板(玻璃)后形成水滴也会减少了阳光的穿透。此外,由于玻璃导热系数低,玻璃上的传热速率和蒸馏也受到限制。

2.1.2 吸附床置于顶部 在被动不连续系统的另一种结构中,吸附床位于装置的顶部,冷凝器位于底部[16]。吸附床在夜间吸湿后,水经阳光直射变为水蒸气由吸附床向空气转移扩散,最终在冷凝器凝结成水滴。

为了提高产水效率,研究人员通过优化被动不连续系统的能源利用,开发了一种双级收集器来回收水的潜热[29],它由透明盖、太阳能吸收层、两个平行组装的吸附剂床和两个冷凝表面组成。在夜间,吸附剂床暴露在空气中以收集水。在白天,太阳能吸收层接收太阳辐射并加热顶层吸附剂床以释放浓缩的水蒸气。当水蒸气在第一冷凝器表面冷凝时,释放的冷凝热通过热接触传递到底部吸附剂层,并回收用于解吸。与改进前传统单层吸附床相比,优化后的设备可以提高18%的产水量。

目前的实验装置中,几乎所有该类型装置都是在非常小的尺度上建造的,然而,实验表明,即使在小装置中,且有足够冷源的情况下,传质速率也可能低于解吸速率。故若将其应用在大型装置中,更不能仅依靠质量扩散系数。因此,可能需要一种被动或主动的传质机制。

2.2 主动准连续型

目前针对吸附/解吸式空气取水研究的设备大部分还是被动不连续型。但也已经有一些研究人员逐步对主动准连续型进行探索。主动准连续型设备主要通过增加吸附床的数量和同时运行相位差来实现空气取水[30]。Xu等基于连续吸附的制冷系统的启发,研究了一个具有优化传热和传质条件的多循环大气集水原型[31]。该设备是由四个吸附床被组合形成一个矩形阵列,采用光伏风扇产生强制空气对流,实现协同传热传质增强吸附床的热设计。最终设计的装置1 d可实现8个吸附/解吸循环来提高水产量,达到2.12 L/kg吸附剂的产水量。作者最后还提出了通过机械旋转来实现吸附和解吸的自动转换概念,进而实现连续取水,并提出了设备概念图供其他研究人员参考。此外,Wu等也基于MOF材料设计了一种新型取水装置[32]。该装置由一个玻璃室组成,配有一个可拆卸和翻转的吸附阶段,上下部分由保温材料PSF分隔,当上部分封闭在进行解吸时,下部分暴露于空气进行大气吸附水。在1个太阳照射下,该装置在20% RH和298 K下表现出58 mL H2O/kgMOF/h。

对于主动准连续型设备,吸湿材料的吸湿能力不再是一个必需条件,而循环时间成为决定其效率的关键参数。通过优化循环时间,可以实现设备日产水量的最大化。对于主动准连续型设备,吸附剂不再要求其达到饱和吸湿容量。系统的吸湿能力受循环周期的影响而发生变化,即最优循环周期时间越短,系统的吸湿能力越大。因此,更快的吸附/解吸动力学优先于最终吸附剂容量。

在自然条件下工作,吸附/解吸式空气取水设备的吸附动力学与解吸动力学将不是一成不变的。其中吸附动力学主要受空气温度和相对湿度的影响。但1 d中,设备工作环境的温湿度的变化几乎不是线性变化的。而解吸动力学也受进入系统的能量和冷凝器温度的影响。因此,对于主动准连续型设备,在使用太阳能提供热源的情况下,由于两个因素时刻变化,所以导致设备无法找到最优的固定循环时间,必须通过测量入口温度、相对湿度和冷凝器温度来实时确定循环时间。这需要一个能源密集型的控制系统才能实现。

在主动准连续系统中,冷却吸附床以启动吸附过程是另一个需要考虑的重点。吸附过程中床层温度越低,相应的吸附量和吸附速率也会随之提高。目前主要利用空气热交换器来冷却吸附床,在吸附过程开始时,床层温度略高于环境温度,通过床层表面的新风会将吸附热从系统中排出。为实现开关冷却床的需要,意味着在能源密集型系统中还要设计一个开关冷却吸附床模块,这样会需要更多的外围设备。除利用热交换器来冷却吸附床外,研究人员利用特殊保温隔热材料将吸附室与解吸室隔离,使吸附室与解吸室工作温度互不干扰,进而实现吸附床的在相对阴暗环境下正常启动[33]。

2.3 主动连续型

目前针对主动连续型设备的研究并不算多,该型设备较前文主动准连续型设备而言,通过改进设备的结构设计,仅在同一吸附床上就可以实现吸附过程与解吸过程同时进行。其主要分为两种类型:其中一种主动连续型设备为固体吸附床所设计。Li等首次提出的一个吸附/解吸式空气取水主动连续系统[33]。在该系统中,吸附剂被加载在一个旋转圆筒上,圆筒由步进电机提供不同转速,旋转圆柱体的顶部部分暴露在阳光和冷凝室中以释放水,而底部部分暴露在环境中以收集水蒸气。该设备的产水性能与圆筒旋转速度有关。如果旋转速度太快,吸附剂表面温度降低,解吸速率也会降低。若圆筒旋转速度太慢,顶部部分的吸附剂由于长时间暴露在阳光下,会将相邻的吸附剂也附带加热,因此在进入冷凝室之前不能够吸附更多的水,同时也会提前释放水,从而导致产水率降低。同种吸附剂下,该设备产水率虽不如基于批次的取水设备,但为大型自动化连续取水设备提供了可能的解决方案。

另一种主动连续设备是专门为液体吸附剂提出设备方案。液体吸附剂可以同时进行吸附和解吸,提高了系统的循环速率。Qi等基于液体吸附剂所设计的装置中[34],中心是解吸区,另一部分与大气相连,液体吸附剂从大气中吸收水分。在解吸区,液体吸附剂的表面漂浮着界面太阳能吸收剂。由于压力差和浓度梯度,蒸汽被液体吸附剂从空气中吸收并转移到中心区域,然后吸收器通过吸收太阳能来加热溶液,液体吸附剂中的水蒸发。最后,水蒸气接触到冷壁并被收集。该设备主要注意吸附速率和解吸速率的匹配问题。由于外界实际环境变化,二者速率会很难正好匹配,且不易调节。

3 结语和展望

空气中的水分逐渐成为解决全球淡水资源匮乏问题的主要来源。同时基于吸附/解吸式空气取水也受到广泛关注。在探究先进的吸附材料以提高产水效率的同时,我们也应对相应的取水设备进行设计改进。对于取水设备而言,被动非连续系统需要吸湿能力更好的吸湿材料、较少的能源和外围设备以及更精确的设计;相比之下,主动准连续和主动连续型系统则需要更复杂的结构设计,可能还需要辅助能量输入。目前,对于取水设备的研究已经取得了一些成就,但是为了推进吸附/解吸式空气取水技术早日实现从实验室研究到规模化工业应用,未来仍需要在以下几个方面加强研究。

(1)对于被动非连续系统,除要考虑吸湿材料的最大吸湿容量,还应对设备结构进行精细化设计改进(吸附床的结构优化),进而提高整体传热传质效率。

(2)对于主动准连续和连续系统,通过合理系统结构设计减少复杂的外围控制设备,同时也要考虑设备整体的能耗。