上海交大王如竹团队：吸附式空气取水的研究现状与前景

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近日，上海交通大学王如竹教授领衔的能源-空气-水ITEWA创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule《焦耳》上发表了题目为“Adsorption-based atmospheric water harvesting”的评述性论文。

该论文从材料到系统层面，介绍了目前吸附式空气取水领域的吸附剂材料、取水系统、取水应用、驱动能源和环境影响等发展现状；从传热传质、吸附剂选型、冷源和冷凝设置等角度出发，阐述了决定取水性能的关键因素；从生活用水、农业用水、工业用水等应用场景，提出了空气取水市场化的发展方向和策略；最后从优选材料、解吸热源、冷凝冷源等方面指出了吸附式空气取水面临的机遇和挑战。

吸附式空气取水，依靠吸附剂的吸附-解吸过程收集到冷凝水，具有非常宽的湿度适用窗口，有望解决绝大部分干旱地区的全年供水问题。

本文的重要内容，在于阐述吸附式空气取水系统从材料到装置的完整结构和工作流程，指出系统吸附、解吸、冷凝、收集各部件的特性和功能，找出影响实际取水效果的关键因素（吸附剂性能、解吸热源、冷凝冷媒、装置传热传质性能等），并对症下药提出对于不同应用场景、提高吸附式空气取水性能的可行方案。▲图1. 吸附式空气取水系统原理示意图

1.吸附式空气取水系统的五大要点

对于一个完整的吸附式空气取水系统，其五大要点分别为：吸附剂材料、装置结构、应用、驱动能源和环保安全性。

目前已开发的吸附剂主要分为四类，分别是：基于物理吸附的传统固体吸附剂；具有理想孔道结构的新型聚合物吸附剂；以吸湿盐为主的化学吸附剂；多孔基质与吸湿盐结合的复合吸附剂。不同的吸附剂材料适用于不同的温湿度环境，一般根据材料本身的平衡吸附性能、动力学吸附解吸性能来确定其应用场景和适用装置结构。

▲图2. 太阳能驱动的不连续被动吸附式空气取水系统

现有的取水系统主要分为两种运行策略：其一是被动式的取水系统，吸附剂夜晚吸附白天解吸（图2所示）；其二是主动式的多循环系统，每天进行多次的吸附解吸循环工作（图3）。对于不连续运行的单次循环系统，影响取水效果的决定性因素是材料的吸附容量；而对于带储能模块的多循环系统，其关键因素是材料的动态吸附性能和装置结构的传热传质性能。

▲图3. 多循环吸附式空气取水系统

2.系统设计的关键点

根据对吸附式空气取水系统的整理和剖析，本文阐述了影响系统取水效果的几大关键因素——系统的传热传质性能、吸附剂的合理选型、冷凝换热媒介设置以及冷凝器设置等。

系统整体的传热传质性能包括吸附材料本身的动态吸附性能和装置部件的热质扩散能力，在一定程度上影响不连续系统在有限吸附解吸时间内的取水容量，基本决定了多循环系统的日循环次数和日取水量。

对于吸附剂材料本身，任何一种取水用吸附剂都有它特定的最佳应用场景，因此，根据不同的应用场景和设计标准，选取合适类型的吸附材料，比开发一种普适性强、性能优越的吸附剂更现实可靠。

另外，冷凝换热性能直接决定了系统运行的最后一步——水的冷凝收集效果。事实上，诱导热湿空气冷凝得到液态水的主要驱动力是解吸所得蒸汽温度与冷凝媒介温度的差值，差值越大冷凝效果越高。因此，提高系统冷凝收集率主要可从两个方向出发：一是提高解吸温度或解吸强度，从而提高解吸所得热湿空气的相对湿度，如采用两级配置提高第二级吸附床解吸过程的水蒸气分压；二是降低冷凝媒介的温度，如采用PCM相变材料强化换热等。

3.空气取水系统的市场化发展

为了获得消费者和投资者对使用吸附式空气取水系统的支持，确定具有成本效益和可操作性的系统是将该技术成果转化的第一步。多功能联产是一种可以降低产水成本的解决方案。

大批量生产也是其市场化需解决的另一个难题。由于现有的关于吸附式空气取水技术的研究，主要着力于小批量、甚至小概念样机的探究和实验。当产量和系统规模呈数量级放大时，系统内传热传质等问题并不能单纯的等比例放大研究。

▲图4. 除湿换热空调系统的(a)第一和(b)第二运行模式；(c)利用吸附原理增强电子设备的散热效率；(d)湿度驱动的电池发电机理

综上所述，吸附式空气取水是一种不依赖水源、可广泛应用且轻便洁净的取水技术。但在这项技术进入千家万户之间，还有很多的问题和挑战需要面临和解决。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请王如竹教授进行了专访，

请他们为大家进一步详细解读。

CellPress：王教授您好，您的文章介绍了一种相对于集雾法、喷洒法等更加经济的吸湿法来富集空气中的水资源，这是一种创新且很具有意义的工作。文中同样介绍了，富集的水会有一定的毒性。请问目前，是否有什么办法能够解决这一问题？

王如竹教授：首先，需明确两点：一是水产品的应用场景，不同的应用场景对水质有不同的需求；二是水产品如果有被污染，什么是其污染来源。搞清楚这两点，才好对症下药来解决问题。

如果取水的需求是作为工业冷却用水，则水质对使用影响不大；如果是用作生活用水或农业用水，则应该根据相关标准杜绝污染，保证水质。

水产品的毒性可能来源于本身受污染的空气，如空气中的水蒸气夹带着一些粉尘、有机毒害物等；集雾法等其他方法都存在此类问题，这可以通过合理选取吸附场景、在吸附前端加装空气净化器对空气进行前处理、在水收集端加装滤水器对水产品进行后处理等方式。

水产品的毒性也可能来源于吸附剂材料；根据水质需求合理选取无毒、无气体挥发特性的吸附剂材料，同时使用无泄漏的取水装置，基本可以保证水产品的环保安全性。

CellPress：在文中，您介绍了MOF、沸石分子筛、吸湿盐等吸附剂。我们知道碳基材料中的活性炭、二维的石墨烯以及一维的碳纳米管等，都具有比较大的比表面积，可以用于吸附，那么碳基材料能否在吸湿中有所应用？

王如竹教授：在空气取水这个研究方向上，这些碳基材料都有很好的应用潜力。例如：阿卜杜拉国王大学的Wang Peng教授在Nano Energy上有发表过：关于碳纳米球填氯化锂用作吸附剂，且具有很好的吸湿效果。我们课题组也做过大量关于活性炭纤维毡填氯化钙/氯化锂、石墨烯气凝胶填氯化锂用作空气取水吸附剂的研究。

其异曲同工之处是：这类碳基材料本身并不具有优越的吸湿性能，但利用其比表面积大、密度小等特性作为载体与均匀分散的吸湿因子（盐）结合，可以在优化传热传质性能的同时保证吸湿效果。

有些情况下，如果用太阳光直接加热，碳基材料本身可以强化太阳光的吸收，实现吸附材料表面的高效加热，同时碳基材料导热特性好，可以进一步提升吸附材料（床）的加热温度均匀性。

CellPress：您认为这种吸湿法装置何时能够大量的进行市场推广，为解决水资源短缺的世界难题提供帮助。

王如竹教授：目前全球关于吸附式空气取水的研究很多，但关注点主要放在提高吸附剂材料的吸附解吸性能上。站在实际解决水资源短缺的角度，我认为，吸附剂材料和取水装置结构设计同等重要。只有综合考虑性能、制备工艺和环保安全等因素开发真正实用的吸附剂，同时在系统层面优化设计装置，才能实现空气取水的成果转化。

在高湿度下空气环境下（例如海洋性气候）吸附空气取水与压缩式制冷凝水相比没有优势。但是在低湿度尤其是干旱和沙漠气候条件下，压缩式制冷已经很难发挥作用，吸附空气取水成为唯一选择。吸附空气取水可以采用太阳能等热能驱动，利用太阳能日夜间隙性，晚上低温而且相对湿度较高可以促进吸附，白天利用太阳能加热可以实现吸附床的解吸，解吸出的水蒸汽经过冷凝器冷凝可以获得液体水。

目前有关吸附空气取水已经在军事后勤保障，以及电子器件散热中获得应用， 未来可能在沙漠（干旱地区）设施农业、 以及抗震救灾中获得应用。固定式的全被动太阳能驱动吸附空气取水以及采用除湿换热器作为蒸发器/冷凝器的电动热泵驱动的吸附空气取水系统应该是未来市场需求的首选。

CellPress：目前很多研究只能停滞于实验室阶段，比如：光催化等，进行工业研究的科学家非常少。您认为造成这种局面的原因是什么？另外，从您个人的经验来看，一项实验室的研究工作发展的什么程度，才适合进行工业化的研究，在进行工业化研究的过程中需要考虑哪些因素？

王如竹教授：一项研究从探索到应用，要走很长的路。实验室研究是一个从0到1不断探索、试错和创新的过程，工业研究是从1到100甚至从1到1000的为市场服务的过程。

实验室研究是工业研究的必要基础。目前实验室研究很多从材料发现和创新开始， 但是材料-器件-系统是一个从基础研究到工程应用的研究链条，缺一不可。材料和器件的高性能不一定能实现系统的高性能。材料学家很少考虑材料的成本及批量生产，这就需要工程领域的专家与材料领域专家全面合作， 针对工程规模化应用合理选择材料， 设计器件，优化和运行系统。经济性，安全性，稳定性，可复制性等是工程学科专家最为关注的问题。

而目前的空气取水研究，主要关注空气取水用吸附剂材料本身的平衡吸附性能、动力学吸附解吸性能等，而系统的传热传质性能、冷凝器的冷凝效果、材料的经济成本、环保安全性、制备难度等关键问题却被忽略。

每一个创新的实验成果都需要经过性能、成本、规模、政策等各方面的检验，只有可以低成本、大规模、高性能、高可靠性的成果才有可能进入工业研究， 最后走向市场。

我的Joule吸附空气取水展望论文从材料到系统层面，介绍了目前吸附式空气取水领域的吸附剂材料、取水系统、取水应用、驱动能源和环境影响等发展现状；从传热传质、吸附剂选型、冷源和冷凝设置等角度出发，阐述了决定取水性能的关键因素；从生活用水、农业用水、工业用水等应用场景，提出了空气取水市场化的发展方向和策略；最后从优选材料、解吸热源、冷凝冷源等方面指出了吸附式空气取水面临的机遇和挑战。

正是考虑材料-器件-系统各个层面的问题，提醒通过解决这些问题，才有可能实现吸附空气取水的规模化，为此我也提出了一个未来研究发展的技术路线图，希望这篇文章能为后续进行吸附空气取水研究的材料学家和热科学与工程专家提供借鉴。

论文作者团队介绍 第一作者

Mojtaba Ejeian

Mojtaba Ejeian目前正在上海交通大学机械与动力工程学院攻读博士学位。他获得了伊朗科技大学的学士学位和材料与能源研究中心的硕士学位。他的研究兴趣主要集中在大气集水、太阳能热应用和海水淡化。他还拥有太阳能制冷和吸附技术方面的背景知识。

通讯作者

王如竹

上海交通大学机械与动力工程学院讲席教授。2017&2018全球高被引学者、国家基金委创新群体负责人、全国先进工作者、国家教学名师，荣获英国制冷学会颁发的国际制冷J&E Hall金牌（2013）、中日韩制冷学会联合颁发的亚洲制冷学术奖（2017）、日本传热学会颁发的Nukiyama热科学纪念奖（2018）、国际制冷学会颁发的国际制冷最高学术奖Gustav Lorentzen奖章（2019）、国际能源署IEA颁发Peter Ritter von Rittinger International Heat Pump Award (2021)。王如竹教授主持成果还获得了 国家自然科学二等奖（2014）、国家技术发明二等奖（2010）、国家教学成果二等奖等奖励（2009）。

上海交大ITEWA交叉学科创新团队（Innovative Team for Energy, Water& Air）：王如竹教授于2018年创建，致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Angewandte Chemie-International Edition、ACS Central Science、Energy Storage Materials、ACS Materials Letter 等国际顶级期刊上发表系列跨学科交叉论文。

相关文章信息

研究成果发表于在Cell Press旗下Joule 期刊上

▌论文标题：

Adsorption-based atmospheric water harvesting

▌论文网址：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00178-1

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.04.005

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