【儀表網 研發快訊】近日，上海交大機械與動力工程學院制冷與低溫工程研究所王如竹教授領銜的ITEWA團隊在Nature Communications上發表題為Enhanced continuous atmospheric water harvesting with scalable hygroscopic gel driven by natural sunlight and wind的論文，針對目前吸附式空氣取水領域吸附劑吸附動力學緩慢和裝置冷凝效率低兩大技術難點，提出具有低傳質阻力的互連多孔吸濕凝膠的可放大合成策略以及通過聚光提高解吸溫度實現能效升級。該論文第一作者為制冷與低溫工程研究所博士生楊辛格，王如竹教授和香承杰博士后為通訊作者。
吸濕凝膠因同時具有吸濕鹽的高吸附量以及凝膠基質的高保水性和可調性，是吸附式空氣取水的熱點材料之一，然而高的內部傳質阻力制約了空氣取水裝置日產水量的提升。鑒于此，團隊通過物理發泡方式制備了孔隙率高達87.6%的互連多孔吸濕凝膠，使得水蒸氣在吸附劑內部的傳輸幾乎呈直線進行，內部擴散阻力顯著低于活性炭纖維氈和密胺海綿等傳統多孔基質。該吸附劑表現出快速的吸附-解吸動力學，在低濕及中高濕條件下其吸附動力學均優于現有的鹽基復合吸附劑。該凝膠基吸附劑的制備方法較為簡易，擺脫了對于真空低溫環境的依賴，適合大規模生產。同時，團隊開發了基于水蒸氣-液態水兩相傳輸的吸附動力學模型，用于吸附劑吸附性能的預測與優化。
根據吸附劑的快速吸附-解吸動力學特性，團隊設計并制造了能夠連續運行的太陽能空氣取水裝置。該裝置采用解吸腔-冷凝器分體式設計，能夠有效減少冷凝水帶來的光強損失以及避免吸附劑對于冷凝表面的輻射加熱，從而降低冷凝溫度，提高冷凝速率。通過對吸附式空氣取水技術進行熱力學分析得出，在一定限度內裝置的能量利用效率會隨著解吸溫度的提升而提升。因此，提出使用聚光器如菲涅爾透鏡提高空氣取水裝置的輸入光強，在4個太陽輻照強度(4 kW m-2)的條件下，該裝置展現出高達25.7%的能量利用效率，是1個太陽輻照強度下的兩倍。同時，通過結構設計巧妙地引入自然風作為吸附床循環轉動的動力源，實現了全可再生能源驅動的連續式空氣取水裝置。
圖 (A) 光-風聯合驅動的連續式空氣取水裝置示意圖 (B) 材料吸附性能比較 (C) 裝置取水性能比較 (D) 裝置產水速率及能量利用效率比較(1 sun) (E) 裝置戶外完整日間取水性能測試
該空氣取水裝置在戶外進行了十五天的完整日間取水測試，天氣條件包含晴朗和多云天氣，最終取得了高達3.5~8.9 Lwater m-2 day-1的日產水量和0.54~1.18 Lwater m-2 h-1的平均產水速率。其中，裝置在晴朗天氣下的平均產水速率較為穩定，證明了裝置在材料和器件層面均具有良好的循環穩定性。通過分析全球年平均日太陽輻照以及年平均近地面風速分布，證明該裝置在全球具有廣泛的區域適用性。
吸附式空氣取水技術是近年來興起的從大氣中獲取飲用水的新穎技術，對于干旱、離網地區和緊急條件下飲用水的獲取具有重要的研究意義和應用價值。該工作有望為干旱離網地區的清潔可持續水供應提供材料和器件設計等方面的新思路。
王如竹教授領銜的ITEWA團隊近年來在Science、Nature Water、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Energy Letters等國際期刊上發表了系列跨學科交叉論文，該團隊致力于解決能源、水、空氣交叉領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術，旨在通過學科交叉實現材料-器件-系統層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。
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