近日，上海交大機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院制冷與低溫工程研究所王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表題為Enhanced continuous atmospheric water harvesting with scalable hygroscopic gel driven by natural sunlight and wind的論文，針對(duì)目前吸附式空氣取水領(lǐng)域吸附劑吸附動(dòng)力學(xué)緩慢和裝置冷凝效率低兩大技術(shù)難點(diǎn)，提出具有低傳質(zhì)阻力的互連多孔吸濕凝膠的可放大合成策略以及通過(guò)聚光提高解吸溫度實(shí)現(xiàn)能效升級(jí)。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(shí)具有吸濕鹽的高吸附量以及凝膠基質(zhì)的高保水性和可調(diào)性，是吸附式空氣取水的熱點(diǎn)材料之一，然而高的內(nèi)部傳質(zhì)阻力制約了空氣取水裝置日產(chǎn)水量的提升。鑒于此，團(tuán)隊(duì)通過(guò)物理發(fā)泡方式制備了孔隙率高達(dá)87.6%的互連多孔吸濕凝膠，使得水蒸氣在吸附劑內(nèi)部的傳輸幾乎呈直線進(jìn)行，內(nèi)部擴(kuò)散阻力顯著低于活性炭纖維氈和密胺海綿等傳統(tǒng)多孔基質(zhì)。該吸附劑表現(xiàn)出快速的吸附-解吸動(dòng)力學(xué)，在低濕及中高濕條件下其吸附動(dòng)力學(xué)均優(yōu)于現(xiàn)有的鹽基復(fù)合吸附劑。該凝膠基吸附劑的制備方法較為簡(jiǎn)易，擺脫了對(duì)于真空低溫環(huán)境的依賴(lài)，適合大規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于水蒸氣-液態(tài)水兩相傳輸?shù)奈絼?dòng)力學(xué)模型，用于吸附劑吸附性能的預(yù)測(cè)與優(yōu)化。
 

　　根據(jù)吸附劑的快速吸附-解吸動(dòng)力學(xué)特性，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了能夠連續(xù)運(yùn)行的太陽(yáng)能空氣取水裝置。該裝置采用解吸腔-冷凝器分體式設(shè)計(jì)，能夠有效減少冷凝水帶來(lái)的光強(qiáng)損失以及避免吸附劑對(duì)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(guò)對(duì)吸附式空氣取水技術(shù)進(jìn)行熱力學(xué)分析得出，在一定限度內(nèi)裝置的能量利用效率會(huì)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(qiáng)，在4個(gè)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度(4 kW m-2)的條件下，該裝置展現(xiàn)出高達(dá)25.7%的能量利用效率，是1個(gè)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度下的兩倍。同時(shí)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙地引入自然風(fēng)作為吸附床循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)了全可再生能源驅(qū)動(dòng)的連續(xù)式空氣取水裝置。
 

　　圖 (A) 光-風(fēng)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的連續(xù)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(chǎn)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(cè)試
 

　　該空氣取水裝置在戶外進(jìn)行了十五天的完整日間取水測(cè)試，天氣條件包含晴朗和多云天氣，最終取得了高達(dá)3.5~8.9 Lwater m-2 day-1的日產(chǎn)水量和0.54~1.18 Lwater m-2 h-1的平均產(chǎn)水速率。其中，裝置在晴朗天氣下的平均產(chǎn)水速率較為穩(wěn)定，證明了裝置在材料和器件層面均具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。通過(guò)分析全球年平均日太陽(yáng)輻照以及年平均近地面風(fēng)速分布，證明該裝置在全球具有廣泛的區(qū)域適用性。
 

　　吸附式空氣取水技術(shù)是近年來(lái)興起的從大氣中獲取飲用水的新穎技術(shù)，對(duì)于干旱、離網(wǎng)地區(qū)和緊急條件下飲用水的獲取具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。該工作有望為干旱離網(wǎng)地區(qū)的清潔可持續(xù)水供應(yīng)提供材料和器件設(shè)計(jì)等方面的新思路。
 

　　王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在Science、Nature Water、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Energy Letters等國(guó)際期刊上發(fā)表了系列跨學(xué)科交叉論文，該團(tuán)隊(duì)致力于解決能源、水、空氣交叉領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過(guò)學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。