太阳能吸附式空气取水研究现状

　　摘要：太阳能吸附式空气取水具有装置简单、效率高、输入能源清洁可再生的显著优势，近年来发展迅速。通过对太阳能吸附式空气取水的相关研究文献进行分析和总结，发现目前的研究主要集中在吸附材料、强化传热传质和系统优化等几个方面;对每个研究方向的进展具体展开，并对衡量空气取水性能的主要指标进行总结;提出了改善太阳能吸附式空气取水性能应深入研究的方向，即研发高效冷凝器、降低冷凝温度，以及提高解吸蒸汽的露点温度，研发适应不同气候和地区的个性化设计，进行高效热回收，提高系统能效等。

　　关键词：空气取水装置;吸附;吸附剂;凝结;取水性能;太阳能

　　0引言

　　水是生命之源，所有生命的生存和发展都离不开水。地球的总水量约为1.386×1018m3[1]，然而可供饮用的淡水资源仅占0.36%。由于气候变化和人类活动导致的荒漠化问题无疑是一场严峻的自然灾害[2]。淡水资源短缺已经成为一个世界性难题，据统计，全球大约有2/3(约40亿)的人口正遭受着一定程度的水资源短缺，而大约有5亿人口生活在极度缺水的条件下[3]。联合国曾在世界水日到来之际提出告诫：如果各国政府不采取有利措施，到2025年将有大约1/3的人口无法获得干净、安全的饮用水供应[1]。我国由于人口众多，人均淡水资源占有量不足世界平均值的1/3[4]。此外，由于复杂的地质和气候条件，我国的水资源在时间和空间上的分布也极为不均匀，其中，南部和东部地区水资源较为丰富，而西北部地区水资源则较为匮乏。

　　对于缺乏天然水资源的地区来说，稳定的供水来源至关重要。在地球的大气中蕴含着丰富的水资源(云、水蒸气和雾)，且不受地理位置的制约，是一个天然的淡水水库，据计算，其中含有大约1.29×1013m3的淡水[5]。此外，由于大气环流的作用，大气中的水分会保持较稳定的值，即使在干旱的沙漠地区，大气湿度也可以超过10g/m3[6]。根据质量守恒原理，空气的温度升高时，地表的水分会蒸发，导致水量减少，而空气的绝对含湿量则会增加。因此，可将空气看作是巨大的、清洁且可再生的水资源。空气取水技术是一种非常有前景且灵活的供水方式，可以满足沙漠及偏远地区人们的用水需求[7]，尤其是海岛地区，那里的空气中蕴涵着大量的淡水资源。

　　目前，国内外空气取水技术可分为3大类：表面冷却法、膜分离法和吸附/吸收法。其中，表面冷却法是通过将湿空气流过冷却表面，使水蒸气冷凝为液态水;该方法可进一步分为主动式制冷结露法和被动式制冷取水法(比如集雾法、辐射制冷法等)2类。膜分离法则是利用渗透压作为驱动力从空气中捕获水蒸气，是一种新兴的空气取水技术，尚处于研究阶段。因此，现对制冷结露法[8-11]和吸附法[12-14]进行简要介绍。制冷结露法是将湿空气的温度降到露点温度以下，使水蒸气结露，从而获得淡水的方法。降低湿空气的温度可以通过自然制冷或人工制冷的方法实现。

　　自然制冷的方法[15-16]虽然不消耗能源，但却受气候条件所限，难以推广和应用;且由于干旱地区露点温度常低于15℃，甚至低于0℃[17]，因此要使温度降到露点以下，需要消耗更多的能量[18]。此外，制冷结露法包含多个能量转换过程，且需要冷却大量的空气来满足用水需求，会进一步造成能量损失[19]。在能源供应方面，传统的采用氯氟烃的制冷方法会造成臭氧空洞问题，而采用太阳能光伏组件来提供所需能耗，则会造成初始成本高和维护成本高的问题。

　　吸附法[12-14,20-21]是采用液体或固体干燥剂吸收湿空气中的水蒸气，然后通过干燥剂的再生获得需要的淡水。其中，液体吸收法的装置复杂，体积庞大，循环时间长，会有一定的腐蚀性，且化学试剂不够安全，因此这种方法获得的淡水不适合饮用。相比于制冷结露法，吸附式空气取水技术具有不需要电能或机械能输入、占地面积小、运动部件少、噪声低、结构简单、成本低、寿命长、可利用可再生能源(如太阳能、废热等)等优点。近年来，随着相关吸附材料、结构设计、冷凝强化、相关设备等的重大突破，以及化石燃料的不断消耗和可再生能源的成熟运用，太阳能吸附空气取水技术引起了世界各地学者们的广泛关注。

　　综上，本文将针对太阳能吸附式空气取水技术的研究现状进行总结。首先，介绍了吸附式空气取水技术的基本理论，并提出评价其性能优劣的标准;其次，分别从吸附材料、传热传质强化设计和系统3方面介绍了吸附式空气取水技术的研究进展;然后，列举了太阳能吸附式空气取水器的实际案例并总结了其性能;最后，从技术角度提出了太阳能吸附式空气取水技术的发展方向和展望。

　　1吸附式空气取水概述

　　1.1太阳能吸附式空气取水系统原理

　　太阳能吸附式空气取水系统(atmosphericwatergenerator，AWG)的原理图，其基本工作过程可以分为：开式吸附过程和闭式解吸-冷凝过程。系统的基本工作原理是：夜间利用吸附剂表面的蒸汽压与环境空气的蒸汽压的差值作为吸湿动力，完成吸附过程;然后在白天利用太阳能来提高吸附剂表面的蒸汽压，达到使水蒸气脱附的目的;最后通过冷凝将水蒸气转化为液态水。

　　太阳能吸附式空气取水系统的工作过程为：夜晚时，空气温度低、湿度高，在风机的作用下，空气进入吸附床，空气中的水分被吸附剂吸收并储存在吸附床中，干空气被排放到环境中;白天时，利用太阳能加热循环空气，高温气体流经吸附床时，吸附剂再生，解吸出的高温高湿气体流入冷凝器，而后被冷凝成液态水。水蒸气的热力循环过程为①→②→③→④。其中，①→②表示环境压力下，空气中的水分被吸附剂吸收的过程，该过程释放出吸附热，所以温度有所升高;②→③表示被吸附的水分在吸附床内被加热的过程，水蒸气的分压力由环境温度下的饱和压力p1升高到冷凝温度下的饱和压力p2;③→④表示从吸附剂内解吸出的水蒸气在冷凝器中的冷凝过程。

　　2吸附式空气取水技术的研究进展

　　通过对文献的回顾可以看出，对太阳能吸附式空气取水技术的研究主要集中在吸附材料、传热传质优化、系统改进这3方面。对吸附式空气取水技术来说，吸附材料的吸附性能从根本上决定着吸附式空气取水装置的取水性能;传热传质过程对取水性能也至关重要;而空气取水系统则关系着空气取水技术能否走向实用化。下文将从这3个方面分别进行详细介绍。

　　2.1吸附材料的研究现状

　　吸附剂的选择从根本上决定了吸附式空气取水技术的性能。平衡吸湿量是反映材料吸湿能力大小的重要指标，吸附材料解吸的难易程度则决定了解吸能耗的大小。材料的吸附和解吸速度对空气取水的循环周期长短有重要影响。不同材料的吸附和解吸特性存在较大差别，这与材料自身的状态、组成、结构等有关。吸附剂应具有的特点为：良好的循环取水能力，即在吸附时(自然气候条件下)，吸水能力随着相对湿度的增加而增加;低温解吸时的高解吸能力，以便利用低品位能源，比如太阳能。

　　为了获得这样的高性能吸附材料，国内外学者进行了大量的研究，并且取得了重大进展。常规的吸附剂有分子筛[23]、硅胶[24-25]、沸石[26-27]、吸湿性盐(如氯化锂[28-29]、氯化钙[30-32]、氯化溴[33-34])等，但是它们的取水能力低，解吸能耗高。新型吸附材料如纳米多孔无机材料[35]、复合材料[36-39]、金属有机骨架化合物(MOFs)[40-43]等展现了巨大的吸水潜力。ARISTOV等[30-31]提出了复合吸附剂——多孔基质+吸湿性盐的概念，并提供了一种新型的吸附剂设计理念;随后还提出并研究了KSKG硅胶/CaCl2复合吸附剂，其吸水能力高达0.70～0.75g/g，解吸温度只需50～80℃。

　　基于此，在过去的20多年，学者们开发并研究了大量的复合吸附材料。刘业凤[44-46]提出的新型复合吸附剂SiO2•xH2O•yCaCl2吸附水量大，吸附速度快，在空气温度恒为25℃、相对湿度为40%的条件下，这种复合吸附剂的平衡吸附能力为0.4g/g，且解吸温度低(60～80℃)，可利用低品位热能，尤其是太阳能。JI等[47]开发了吸附剂MCM-41/CaCl2，并研究了不同CaCl2浓度对其吸附能力的影响，发现最佳浓度范围为50%～60%，此时吸附剂的吸水能力最高，可达1.75g/g。该吸附剂在80℃再生温度下解吸能力可达90%以上。

　　此外，作者指出，该吸附剂的吸附性能在几个月的吸附解吸循环运行后会略有下降。ZHENG等[48]研究了SG/LiCl复合吸附剂，发现其吸水能力随着相对湿度的增加而增加。WANG等[49]研究了以活性炭纤维毡为基质的复合吸湿性盐氯化钙的复合吸附剂ACFCaCl230，发现其在20℃和70%RH(相对湿度)的条件下，吸水能力高达1.7g/g，是硅胶-CaCl2的3倍。但是该吸附剂吸水后会变形，不能提供稳定的传质通道。WANG等[50-51]开发了以活性炭纤维毡为基质的复合吸湿性盐氯化钠的固化复合吸附剂ACF-LiCl，其最大循环取水能力高达0.65g/g，且其取水能力随着相对湿度的增加而急剧提高。MOF是一种新型复合吸附剂，是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的多孔面心立方拓扑结构。

　　通过组合不同的金属和有机配体，可以改变MOF的性能，使其选择性的吸附某种气体。KIM等[52]合成了MOF-801，在20%RH条件下取水量高达2.8g/g，循环取水能力为0.24g/g，但其仅在10%～20%的相对湿度范围内较为有效。

　　2.2传热传质的优化研究

　　吸附式空气取水的性能不仅与吸附剂的特性有关，吸附、解吸过程中的热质传递速率和效率也至关重要。

　　2.2.1吸附床结构的优化许多学者都采用了KIM等[52]设计的单层平板式吸附床结构。在吸附工况下，湿空气与吸附床只有一面相接触，因此为了获得足够的淡水，需要供给大量湿空气，从而导致了高能耗;而且由于单位集热器面积的取水量也较低，所以效率不高。GORDEEVA等[33]将吸附材料放置在2块平板上，吸附床的质量为250～350g，典型吸附平衡时间为50～60h，解吸时间为30h。

　　JI等[47]使用的也是单层结构的吸附床，吸附剂填充质量很少，只有0.4kg，取水量低，难以满足需求。GAD等[21]研究发现，吸附床的吸水能力取决于吸附面积和传质系数，并开发了波纹式吸附床结构来扩大吸附面积。但由于其使用了易变形的布料作为盐的载体，填充量小，每天的取水量只有1.5kg/m2。

　　3太阳能吸附式空气取水的实际应用

　　本文第2部分总结了一些典型的太阳能吸附式空气取水系统的研究进展，但这些都是在实验室条件下展开和研究的，具有一定的局限性。不过，太阳能吸附式空气取水技术在实际中也有一些工程案例，下文主要介绍2种太阳能吸附式空气取水器。

　　4展望

　　通过前文的分析，为了构建高效、经济并可扩展的太阳能吸附式空气取水器，从技术的角度来说，可以从吸附材料、系统设计、强化冷凝几个方向努力。

　　1)吸附材料。理想的吸附材料应该是对温度敏感的，应具有以下特点：在低温吸附阶段，其吸水能力随着相对湿度的增加而增加;在高温解吸阶段，其吸水能力随着温度的增加而急剧下降，即易于脱附水蒸气。考虑到不同地区存在气候差异，即使在同一个地方，全年甚至每天的气候也会有很大的波动，因此吸附剂应该具有在不同气候条件下的广泛适应性。

　　2)系统设计：首先，应该匹配干燥剂的再生和水蒸气的冷凝温度。对冷凝器来说，要想维持较低的单位取水能耗，入口空气应该低温而高湿。但与此同时，要想获得较高的单位取水量，吸附床出口的水蒸气状态应该是高温且低相对湿度，这意味着更高的解吸量，吸附床出口和冷凝器入口的空气可以看作处于同一状态。其次，应该强化传热传质过程。太阳能吸附式空气取水器的投资和运行成本是制约其实用性的关键因素，而传热传质的改善不仅可以提高系统能效，还可以使系统更加紧凑，有利于促进太阳能空气取水的规模化应用。

　　3)强化冷凝，研发高效冷凝器。从表3也可以看出，尽管吸附材料的吸水能力高，但取水效率制约着最终的取水量。这就要求需要设计出强化的冷凝器使水蒸气可以高效地转化为液态水，提高集水效率。比如，高效辐射冷却板即使在白天也可以提供5～10℃的冷却水，不仅可以用来直接冷却水蒸气，还可以作为经济冷源来提高系统性能;地埋管也可以提供10～16℃的冷却水，也可考虑作为高效冷源。

　　5结论

　　本文对太阳能吸附式空气取水的研究现状进行了总结。其因装置简单、结构紧凑、适应性强、可扩展、较经济、输入能源清洁可再生而具有非常大的发展潜力。然而，尽管高取水性能的吸附剂和具有良好传热传质结构的吸附床都取得了突破性的进展，但是现有的太阳能吸附式空气取水器鲜有得到大规模应用。从其性能指标来看，高效性、经济性、可扩展性、宽工况适应性及长期稳定性并不能同时得到满足。为了构建高效、经济并可扩展的太阳能吸附式空气取水器，从技术的角度来说，可以从吸附材料、系统设计、强化冷凝几个方向努力。

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　　建筑论文投稿刊物：山西建筑创刊于1975年，由山西省住房和城乡建设厅主管，山西省建筑科学研究院主办，面向国内外公开发行，是山西省建设行业唯一的一份国家级刊物，山西省一级期刊。