聯(lián)合國將享有安全和清潔飲水和衛(wèi)生設(shè)施的權(quán)利作為一項人權(quán)列入可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。然而由于工業(yè)化的進(jìn)程與全球性的氣候變化，目前全球仍有超過四十億人面臨著嚴(yán)峻的飲水危機。另一方面，大氣中蘊藏著極為豐富的水蒸氣，水含量大約相當(dāng)于地球表面河流總量的6倍，因此如何大量且高效的提取出空氣中的水蒸氣并將其以液態(tài)水的方式收集成為了一個前沿問題?；谖绞娇諝馊∷夹g(shù)借助吸附劑實現(xiàn)低濕度下的水蒸氣吸附以及低品位熱源（如廢熱、太陽能）的脫附，最終可以實現(xiàn)將大氣中豐富的水蒸氣轉(zhuǎn)化為可直接飲用的液態(tài)水。雖然目前已有的研究初步展現(xiàn)了空氣取水技術(shù)的可行性，然而目前研究中的運行策略普遍為基于太陽能光熱驅(qū)動的單日單次的運行模式，這一模式?jīng)]有充分利用MOF材料所具有的快速吸附動力學(xué)特性，造成了吸附劑性能浪費與成本的上升。同時這一運行模式也不符合“隨時隨地連續(xù)取水”的終極目標(biāo)。近日，上海交通大學(xué)王如竹教授所領(lǐng)導(dǎo)的ITEWA團隊聯(lián)合中山大學(xué)張杰鵬教授團隊在國際物理學(xué)頂刊Applied Physics Reviews（《應(yīng)用物理評論》）上發(fā)表了題為“Modular all-day continuous thermal-driven atmospheric water harvester with rotating adsorption strategy” 的研究論文，報道了一整套“器件-運行策略-裝置”的綜合技術(shù)方案。該工作提出了一種匹配了MOF吸附模塊吸附特性的“旋轉(zhuǎn)”運行策略以及配套的演示裝置，實現(xiàn)了低品位余熱（例如廢熱、太陽能等）驅(qū)動的連續(xù)空氣取水。該工作獲得審稿人及編輯團隊高度評價并被甄選為期刊亮點論文（Featured article），同時該工作被美國物理學(xué)聯(lián)合會主辦的《科學(xué)之光》（Scilight）雜志以“Modular water harvester ensures continuous water production for arid regions”為題進(jìn)行了專訪報道。報道中稱該工作有望為居住在干旱地區(qū)的人們帶來隨時隨地用水的新解決方案。上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院博士研究生邵昭與中山大學(xué)博士生王志爍為論文第一作者，上海交通大學(xué)王如竹教授為通訊作者，中山大學(xué)張杰鵬教授、周東東副教授為共同通訊作者。 研究人員提出了基于吸附-脫附動力學(xué)的優(yōu)化后的運行策略以及配套純被動冷卻的示范裝置。首先在材料層面，通過對以喀布爾、喀土穆、蘭州為代表的干旱半干旱城市氣候特點的分析，研究團隊經(jīng)過篩選，最終選擇MOF材料Ni2Cl2(BTDD)作為演示所使用的吸附劑。其一維孔道具有豐富且親水的開放金屬位點，優(yōu)異的水穩(wěn)定性和水吸附性能使其從眾多MOF材料中脫穎而出。同時該吸附劑可在低濕度下保持較大的水蒸氣吸附量，同時具有極小的回滯特性，十分有利于空氣取水應(yīng)用場景的需要。通過對夜間和日間工況下的性能對比，研究人員提出如果采用全天運行的運行方式可以有效利用夜間高相對濕度的環(huán)境從而獲得更高的產(chǎn)水量。
圖1 Ni2Cl2(BTDD) 表征以及在夜間和日間工況下的性能對比針對該材料特性合作團隊開發(fā)了可適應(yīng)規(guī)?；瘧?yīng)用的封裝方案并設(shè)計了全新的運行策略。不同于常規(guī)單吸附模塊的設(shè)計，該策略中使用了多吸附模塊以實現(xiàn)裝置的準(zhǔn)連續(xù)運行，而吸附模塊數(shù)量經(jīng)過了吸附動力學(xué)與脫附動力學(xué)的匹配，類似“輪盤”的運行策略可以同時保證裝置的連續(xù)運行以及吸附劑模塊的充分吸附。在該研究中，基于此設(shè)計思路及擬合結(jié)果，研究人員最終采用了三塊相同的吸附模塊進(jìn)行策略演示并據(jù)此設(shè)計了可突破日夜限制的低溫位熱能驅(qū)動的空氣取水裝置。
圖2 輪轉(zhuǎn)式吸附劑運行策略以及MOF吸附模塊動力學(xué)匹配
不同于以往研究普遍采用的制冷劑系統(tǒng)輔助的冷凝方案，項目研究人員基于對冷凝過程的分析開發(fā)了一種純被動式冷凝的空氣取水裝置。該裝置整體使用了快拆結(jié)構(gòu)，可以更好的適應(yīng)實際應(yīng)用中的維護與攜帶。經(jīng)過優(yōu)化后的冷凝器被放置在加熱腔體的上部，實現(xiàn)了水蒸氣解吸與冷凝的有效分離，大大減小了冷凝負(fù)荷。在實際測試中，配合優(yōu)選的高效吸附劑與所提出的高效運行策略，該裝置在24小時共計12個循環(huán)的連續(xù)運行中實現(xiàn)了2.11 Lwater kgMOF?1 day?1高取水量。同時實驗中充分驗證了夜間取水的優(yōu)勢，借助夜間利于冷凝與吸附過程的低溫高濕環(huán)境，裝置在夜間取得了1.4 Lwater kgMOF?1 day?1的水生產(chǎn)量。基于這一策略所開發(fā)的驗證裝置同時實現(xiàn)了全天候的連續(xù)取水以及吸附劑的高效利用。
圖3 戶外演示實驗與實驗結(jié)果
在全天候運行實驗中研究人員對吸附模塊性能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果展現(xiàn)了突破日夜限制進(jìn)行夜間空氣取水的巨大潛力。吸附模塊在夜間高相對濕度的環(huán)境下可以具有更快的吸附速度以及更大的吸附量。同時較低的夜間溫度也有利于水蒸氣的冷凝。
總之，該工作呈現(xiàn)了一種突破日夜限制并對吸附劑性能進(jìn)行匹配的全新運行模式，并基于此構(gòu)建了演示裝置。演示裝置同時實現(xiàn)了裝置的全天產(chǎn)水與吸附劑的高效利用。實驗結(jié)果表明突破傳統(tǒng)夜間吸附白天解吸的單次循環(huán)，有效利用MOF為代表的高效吸附劑快速吸附動力學(xué)開發(fā)新運行模式可以同時提升系統(tǒng)運行性能并減少吸附劑用量從而降低運行成本。鑒于該工作的創(chuàng)新性意義，該工作被選為該期亮點論文（Featured article）。美國物理學(xué)聯(lián)合會主辦的《科學(xué)之光》（AIP Scilight）雜志以“Modular water harvester ensures continuous water production for arid regions”為題進(jìn)行了專訪報道并對王如竹教授進(jìn)行了采訪。報道高度肯定了該工作并認(rèn)為該工作有望成為數(shù)百萬干旱地區(qū)人民新的可靠用水方案。
圖5 AIP Scilight雜志報道
論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0164055AIP Scilight專訪報道鏈接：https://doi.org/10.1063/10.0022442
