基于吸附/解吸式太陽能空氣取水設備的研究進展

楊杰,林越,陳珍慧,汪新宇

(上海海事大學 商船學院,上海 201306)

水是人類及眾多生物賴以生存的基礎。研究表明,全球近40億人每年至少有一個月面臨著嚴重的水資源短缺問題[1]。為了應對淡水資源短缺這一迫切問題,出現了3種主要的淡水處理收集技術,即海水淡化[2]、廢水再利用[3]和空氣取水[4]。眾所周知,地球上的淡水也含有空氣中的水蒸氣,總量達13萬億升[5]。收集空氣中的水蒸氣,不僅節省了大量的勞動力和能源成本,而且在地球上的廣泛領域顯示出廣泛的普遍性。此外,空氣中的水蒸氣含有更少的雜質和細菌,從空氣中收集的水可以達到飲用水標準,無需復雜的凈化和殺菌過程?？諝馊∷姆椒ò丛碇饕煞譃橹评浣Y露法[6],吸附/解吸法[7],聚霧取水法等[8]。其中吸附/解吸法主要利用吸濕材料從空氣中吸濕,然后高溫解吸。解吸水的理想能量來源則由太陽能提供。在吸附階段,對水分子具有高親和力的吸濕材料捕獲大氣中的水分子,并在表面或內部結構中富集水。經過加熱,濃縮的水蒸氣從吸附材料中釋放出來,然后冷凝并收集為液態水。同時在水釋放后,吸附材料可以再生并在下階段重復使用。

近些年,針對吸附/解吸式空氣取水的研究得到快速發展,研究人員在探究先進的吸附材料以提高產水效率方面投入了大量精力。雖然對于吸附/解吸式空氣取水,吸附劑具有不可否認的重要性,但空氣取水設備也會影響大氣集水系統的性能。因此,在這篇綜述中,我們對現有的吸濕材料進行簡單總結,重點對空氣取水相關設備的發展進行分類歸納,并對現有吸附/解吸式空氣取水設備待解決問題及未來研究的發展方向進行了分析和展望。

1 吸濕材料的發展現狀

基于吸附/解吸的空氣取水方式中,吸附劑材料是決定取水設備性能及其適用環境條件的關鍵因素之一。理想吸濕材料應具備廣泛適用的相對濕度范圍、高吸濕性能、快速吸附動力學特性以及易于循環再生[9-10]。常見用于吸附/解吸式空氣取水的材料可以分為幾類:多孔納米固體、吸濕聚合物、鹽基復合材料和液體吸附劑。

1.1 多孔納米固體

多孔納米固體主要指具有均勻(亞)納米尺寸的孔的固體材料。由于其固有的孔結構及其表面特性,當被用于水吸附的時候,可以隨著某一特定溫濕度而發生顯著變化。傳統的多孔納米材料,如硅膠、沸石、活性炭等[11],它們被用于早期的空氣吸濕。其中硅膠作為日常生活中常用的吸附材料,它們主要通過氫鍵進行吸附,具有低成本、無毒及良好的吸附動力學等優點,但其總孔容小,吸濕能力有限;沸石被認為是用于吸附/解析式空氣取水的第1種吸附劑,被廣泛應用于吸附式實驗,但其具有高再生溫度和導熱性低等缺點;活性炭表面具有疏水性,同時其內部存在大量水分子難以接近的微孔。因此新型納米多孔材料的開發應用受到更多的科學關注。

金屬有機框架(MOF)是一種特殊的多孔材料,之所以對吸附/解吸式空氣取水具有吸引力,是因為它能夠根據環境的需要,通過合理調節孔結構和化學性質來實現高吸濕性能。同時它們還具有高孔隙率、高比表面積、低解吸焓等優點。但為了進一步推進MOFs在吸附/解吸式空氣取水中的應用,需要特別注意其水穩定性。由于吸濕的應用,MOF材料不可避免與水分子接觸,而水解會破壞金屬-配位鍵的結合,進而使其結構破壞。另一方面,MOF仍具有低導熱、低毒性、價格高昂,不適合商用等問題,還有待研究人員進行探索解決。

1.2 吸濕聚合物

與多孔材料通過孔隙來吸附空氣中的水分不同,吸濕聚合物主要靠吸收來捕獲空氣中的水分,并存儲在聚合物主體。吸濕性能主要由聚合物網絡自身性質決定。常見的聚合物主要以水凝膠為主,水凝膠自身機械性能較差、導熱性能較低,但其可以很容易地進行改性或功能化,使其可以廣泛應用于吸附/解析式空氣取水。通過與光熱材料(碳納米管、石墨烯)結合使用,提供給水凝膠支撐骨架,在提高水凝膠機械性能的同時,可實現利用太陽能高效水解吸和吸附再生。

將吸濕性聚合物與響應材料相結合是一種新型吸附/解吸式空氣取水材料[12]。這種將水分直接轉化為可收集液態水的方法為新型大氣集水器的設計為后續研究提供思路,后續也可以嘗試從光敏[13](螺吡喃)、磁敏親疏水轉換材料等角度進行設計開發聚合物吸濕材料。

1.3 鹽基復合材料

吸濕鹽由于其成本低、吸濕性能高而在吸附/解析式空氣取水領域受到廣泛關注。然而,限制它們使用的一個缺點是潮解鹽會與吸附水結合成為鹽水,導致吸附動力學降低、系統腐蝕和難以回收吸附劑。針對這一問題,目前主要的解決方案是將潮解鹽放入某一設定的基質中,負載的鹽起到捕獲水分的作用,而基質作為保存鹽溶液的容器。近年來,已經進行了大量研究以開發功能性宿主基質以實現更好的集水性能,報道的基質可分為多孔材料[14]、中空結構材料[15]、纖維基材[15]和聚合物網絡[16]。

但無論是哪種基質,都不可避免的要考慮鹽泄露問題。目前針對鹽泄露問題,研究人員提出了以下解決辦法:(1)制備吸濕材料時,通過調節鹽溶液濃度控制基質中的載鹽量[17];(2)吸附過程中,通過控制環境濕度和吸濕時間來避免吸收太多水分[18];(3)使用疏水透氣涂層或膜將含鹽基質包裹[19]。

1.4 液體吸附劑

液體吸附劑,由于其自身提供的平衡水蒸氣壓低于相同溫度下的自由水的平衡水蒸汽壓,從而可以連續從空氣中吸收水分[20]。常見的液體吸附劑有濃鹽溶液和離子液體[20-21]。其中濃鹽溶液中,LiCl、CaCl2的濃縮溶液應用最廣泛[22]。由于它們具有較低的水蒸氣壓,使得它們可以從空氣中富集水分。然而,值得注意的是這些鹵化物鹽對金屬基系統具有固有的腐蝕性,必須進行特殊設計,以克服長期實際應用中的負面影響。另外,離子液體的吸濕性主要取決于陽離子和陰離子的類型,以及它們的相互作用強度[23-24]。研究人員可以通過選擇合適的陰陽離子來得到適用于吸附/解吸式空氣取水的吸附劑。但液體吸附劑的解吸過程比固體吸附劑需要更多的熱量,所以一般將液體吸附劑與定制的界面太陽能吸收劑相結合是充分利用材料的好方法[25]。

2 空氣取水設備

在開發新的吸濕材料的同時,研究人員也引入了許多取水設備,主要根據吸附床的數量、每日的循環次數以及產水量對其進行評估。通常,對于空氣取水設備,若吸附和解吸過程(即每日的循環次數)受到日落與日出的影響,則為被動型設備;反之,則為主動型設備。另外現有的取水設備一般只有一個吸附床,大多系統都會出現不連續運行的狀態,部分研究人員通過增加吸附床的數量和同時運行相位差來創建一個準連續或連續的過程。因此,基于吸附/解吸式太陽能空氣取水系統也可以分為三大類,不連續型、準連續型和連續型。

到目前為止,吸附/解析式空氣取水設備主要以被動不連續型為主,研究人員正嘗試向主動準連續型、主動連續型設備發展。

2.1 被動不連續型

被動不連續系統,即吸附/解吸受日出日落影響,水在夜間被吸附,在白天進行解吸脫附,每天進行一次吸附-解吸循環。目前大多數空氣取水裝置都為被動不連續型,同時部分類型取水裝置已經可以被等比例放大應用于大規?？諝馊∷?。到目前為止,被動不連續系統根據吸附床與冷凝器相對位置的不同提出了兩種不同的結構。

2.1.1 吸附床置于底部 該設備結構與太陽能蒸發器相似[26],采用單層吸附床,且位于箱體底部,同時在箱體上端或側壁利用玻璃罩作為冷凝器進行冷凝水。Kumar等[27]設計的取水設備則將吸附床置于了箱體底部,其中干燥劑材料(硅膠和木屑/CaCl2)設置在盒子底部的金屬絲網中,箱頂部由玻璃制成,傾斜角度為30°。在夜間,潮濕空氣進入箱中,干燥劑材料能夠吸附空氣中的水蒸氣。白天,空氣不再被允許進入,來自太陽輻射的熱能被用來提高溫度并解吸干燥劑材料,釋放水蒸氣,然后在玻璃蓋上冷凝收集。在印度氣候條件下,實驗結果表明,硅膠和木屑/CaCl2每天的產水量分別約為200,180 mL/kg。Fathieh等[28]使用吸附劑床周圍的反光罩將冷凝器移至側壁。該系統在夜間從沙漠空氣中捕獲水,并在白天暴露在陽光下時釋放捕獲的水。釋放的水蒸氣被吸附劑床的環境冷卻并在冷凝器上液化以進行收集。這個收集周期一直持續到白天結束,然后下一個捕獲周期開始。為確保有效冷凝,使用紅外反射涂層將冷凝器單元的溫升降至最低。使用MOF-801后,這種被動收割機的日均產水量約為0.1 L/kg吸附劑,適用的RH低至20%。

當吸附床置于底部時(熱源放置在冷凝器下),在系統內部會產生對流換熱,這雖然便于水蒸氣冷凝,但同時也限制了床層吸附床的溫度。此外,向上的熱氣流和向下的冷氣流的相互干擾也會導致系統出現顯著的能量損失。當熱蒸氣碰到冷凝板(玻璃)后形成水滴也會減少了陽光的穿透。此外,由于玻璃導熱系數低,玻璃上的傳熱速率和蒸餾也受到限制。

2.1.2 吸附床置于頂部 在被動不連續系統的另一種結構中,吸附床位于裝置的頂部,冷凝器位于底部[16]。吸附床在夜間吸濕后,水經陽光直射變為水蒸氣由吸附床向空氣轉移擴散,最終在冷凝器凝結成水滴。

為了提高產水效率,研究人員通過優化被動不連續系統的能源利用,開發了一種雙級收集器來回收水的潛熱[29],它由透明蓋、太陽能吸收層、兩個平行組裝的吸附劑床和兩個冷凝表面組成。在夜間,吸附劑床暴露在空氣中以收集水。在白天,太陽能吸收層接收太陽輻射并加熱頂層吸附劑床以釋放濃縮的水蒸氣。當水蒸氣在第一冷凝器表面冷凝時,釋放的冷凝熱通過熱接觸傳遞到底部吸附劑層,并回收用于解吸。與改進前傳統單層吸附床相比,優化后的設備可以提高18%的產水量。

目前的實驗裝置中,幾乎所有該類型裝置都是在非常小的尺度上建造的,然而,實驗表明,即使在小裝置中,且有足夠冷源的情況下,傳質速率也可能低于解吸速率。故若將其應用在大型裝置中,更不能僅依靠質量擴散系數。因此,可能需要一種被動或主動的傳質機制。

2.2 主動準連續型

目前針對吸附/解吸式空氣取水研究的設備大部分還是被動不連續型。但也已經有一些研究人員逐步對主動準連續型進行探索。主動準連續型設備主要通過增加吸附床的數量和同時運行相位差來實現空氣取水[30]。Xu等基于連續吸附的制冷系統的啟發,研究了一個具有優化傳熱和傳質條件的多循環大氣集水原型[31]。該設備是由四個吸附床被組合形成一個矩形陣列,采用光伏風扇產生強制空氣對流,實現協同傳熱傳質增強吸附床的熱設計。最終設計的裝置1 d可實現8個吸附/解吸循環來提高水產量,達到2.12 L/kg吸附劑的產水量。作者最后還提出了通過機械旋轉來實現吸附和解吸的自動轉換概念,進而實現連續取水,并提出了設備概念圖供其他研究人員參考。此外,Wu等也基于MOF材料設計了一種新型取水裝置[32]。該裝置由一個玻璃室組成,配有一個可拆卸和翻轉的吸附階段,上下部分由保溫材料PSF分隔,當上部分封閉在進行解吸時,下部分暴露于空氣進行大氣吸附水。在1個太陽照射下,該裝置在20% RH和298 K下表現出58 mL H2O/kgMOF/h。

對于主動準連續型設備,吸濕材料的吸濕能力不再是一個必需條件,而循環時間成為決定其效率的關鍵參數。通過優化循環時間,可以實現設備日產水量的最大化。對于主動準連續型設備,吸附劑不再要求其達到飽和吸濕容量。系統的吸濕能力受循環周期的影響而發生變化,即最優循環周期時間越短,系統的吸濕能力越大。因此,更快的吸附/解吸動力學優先于最終吸附劑容量。

在自然條件下工作,吸附/解吸式空氣取水設備的吸附動力學與解吸動力學將不是一成不變的。其中吸附動力學主要受空氣溫度和相對濕度的影響。但1 d中,設備工作環境的溫濕度的變化幾乎不是線性變化的。而解吸動力學也受進入系統的能量和冷凝器溫度的影響。因此,對于主動準連續型設備,在使用太陽能提供熱源的情況下,由于兩個因素時刻變化,所以導致設備無法找到最優的固定循環時間,必須通過測量入口溫度、相對濕度和冷凝器溫度來實時確定循環時間。這需要一個能源密集型的控制系統才能實現。

在主動準連續系統中,冷卻吸附床以啟動吸附過程是另一個需要考慮的重點。吸附過程中床層溫度越低,相應的吸附量和吸附速率也會隨之提高。目前主要利用空氣熱交換器來冷卻吸附床,在吸附過程開始時,床層溫度略高于環境溫度,通過床層表面的新風會將吸附熱從系統中排出。為實現開關冷卻床的需要,意味著在能源密集型系統中還要設計一個開關冷卻吸附床模塊,這樣會需要更多的外圍設備。除利用熱交換器來冷卻吸附床外,研究人員利用特殊保溫隔熱材料將吸附室與解吸室隔離,使吸附室與解吸室工作溫度互不干擾,進而實現吸附床的在相對陰暗環境下正常啟動[33]。

2.3 主動連續型

目前針對主動連續型設備的研究并不算多,該型設備較前文主動準連續型設備而言,通過改進設備的結構設計,僅在同一吸附床上就可以實現吸附過程與解吸過程同時進行。其主要分為兩種類型:其中一種主動連續型設備為固體吸附床所設計。Li等首次提出的一個吸附/解吸式空氣取水主動連續系統[33]。在該系統中,吸附劑被加載在一個旋轉圓筒上,圓筒由步進電機提供不同轉速,旋轉圓柱體的頂部部分暴露在陽光和冷凝室中以釋放水,而底部部分暴露在環境中以收集水蒸氣。該設備的產水性能與圓筒旋轉速度有關。如果旋轉速度太快,吸附劑表面溫度降低,解吸速率也會降低。若圓筒旋轉速度太慢,頂部部分的吸附劑由于長時間暴露在陽光下,會將相鄰的吸附劑也附帶加熱,因此在進入冷凝室之前不能夠吸附更多的水,同時也會提前釋放水,從而導致產水率降低。同種吸附劑下,該設備產水率雖不如基于批次的取水設備,但為大型自動化連續取水設備提供了可能的解決方案。

另一種主動連續設備是專門為液體吸附劑提出設備方案。液體吸附劑可以同時進行吸附和解吸,提高了系統的循環速率。Qi等基于液體吸附劑所設計的裝置中[34],中心是解吸區,另一部分與大氣相連,液體吸附劑從大氣中吸收水分。在解吸區,液體吸附劑的表面漂浮著界面太陽能吸收劑。由于壓力差和濃度梯度,蒸汽被液體吸附劑從空氣中吸收并轉移到中心區域,然后吸收器通過吸收太陽能來加熱溶液,液體吸附劑中的水蒸發。最后,水蒸氣接觸到冷壁并被收集。該設備主要注意吸附速率和解吸速率的匹配問題。由于外界實際環境變化,二者速率會很難正好匹配,且不易調節。

3 結語和展望

空氣中的水分逐漸成為解決全球淡水資源匱乏問題的主要來源。同時基于吸附/解吸式空氣取水也受到廣泛關注。在探究先進的吸附材料以提高產水效率的同時,我們也應對相應的取水設備進行設計改進。對于取水設備而言,被動非連續系統需要吸濕能力更好的吸濕材料、較少的能源和外圍設備以及更精確的設計;相比之下,主動準連續和主動連續型系統則需要更復雜的結構設計,可能還需要輔助能量輸入。目前,對于取水設備的研究已經取得了一些成就,但是為了推進吸附/解吸式空氣取水技術早日實現從實驗室研究到規?；I應用,未來仍需要在以下幾個方面加強研究。

(1)對于被動非連續系統,除要考慮吸濕材料的最大吸濕容量,還應對設備結構進行精細化設計改進(吸附床的結構優化),進而提高整體傳熱傳質效率。

(2)對于主動準連續和連續系統,通過合理系統結構設計減少復雜的外圍控制設備,同時也要考慮設備整體的能耗。