摘要：太陽(yáng)能吸附式空氣取水具有裝置簡(jiǎn)單、效率高、輸入能源清潔可再生的顯著優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)發(fā)展迅速。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能吸附式空氣取水的相關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)目前的研究主要集中在吸附材料、強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)和系統(tǒng)優(yōu)化等幾個(gè)方面;對(duì)每個(gè)研究方向的進(jìn)展具體展開(kāi)，并對(duì)衡量空氣取水性能的主要指標(biāo)進(jìn)行總結(jié);提出了改善太陽(yáng)能吸附式空氣取水性能應(yīng)深入研究的方向，即研發(fā)高效冷凝器、降低冷凝溫度，以及提高解吸蒸汽的露點(diǎn)溫度，研發(fā)適應(yīng)不同氣候和地區(qū)的個(gè)性化設(shè)計(jì)，進(jìn)行高效熱回收，提高系統(tǒng)能效等。

　　關(guān)鍵詞：空氣取水裝置;吸附;吸附劑;凝結(jié);取水性能;太陽(yáng)能

　　0引言

　　水是生命之源，所有生命的生存和發(fā)展都離不開(kāi)水。地球的總水量約為1.386×1018m3[1]，然而可供飲用的淡水資源僅占0.36%。由于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的荒漠化問(wèn)題無(wú)疑是一場(chǎng)嚴(yán)峻的自然災(zāi)害[2]。淡水資源短缺已經(jīng)成為一個(gè)世界性難題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球大約有2/3(約40億)的人口正遭受著一定程度的水資源短缺，而大約有5億人口生活在極度缺水的條件下[3]。聯(lián)合國(guó)曾在世界水日到來(lái)之際提出告誡：如果各國(guó)政府不采取有利措施，到2025年將有大約1/3的人口無(wú)法獲得干凈、安全的飲用水供應(yīng)[1]。我國(guó)由于人口眾多，人均淡水資源占有量不足世界平均值的1/3[4]。此外，由于復(fù)雜的地質(zhì)和氣候條件，我國(guó)的水資源在時(shí)間和空間上的分布也極為不均勻，其中，南部和東部地區(qū)水資源較為豐富，而西北部地區(qū)水資源則較為匱乏。

　　對(duì)于缺乏天然水資源的地區(qū)來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定的供水來(lái)源至關(guān)重要。在地球的大氣中蘊(yùn)含著豐富的水資源(云、水蒸氣和霧)，且不受地理位置的制約，是一個(gè)天然的淡水水庫(kù)，據(jù)計(jì)算，其中含有大約1.29×1013m3的淡水[5]。此外，由于大氣環(huán)流的作用，大氣中的水分會(huì)保持較穩(wěn)定的值，即使在干旱的沙漠地區(qū)，大氣濕度也可以超過(guò)10g/m3[6]。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，空氣的溫度升高時(shí)，地表的水分會(huì)蒸發(fā)，導(dǎo)致水量減少，而空氣的絕對(duì)含濕量則會(huì)增加。因此，可將空氣看作是巨大的、清潔且可再生的水資源�？諝馊∷�技術(shù)是一種非常有前景且靈活的供水方式，可以滿足沙漠及偏遠(yuǎn)地區(qū)人們的用水需求[7]，尤其是海島地區(qū)，那里的空氣中蘊(yùn)涵著大量的淡水資源。

　　目前，國(guó)內(nèi)外空氣取水技術(shù)可分為3大類(lèi)：表面冷卻法、膜分離法和吸附/吸收法。其中，表面冷卻法是通過(guò)將濕空氣流過(guò)冷卻表面，使水蒸氣冷凝為液態(tài)水;該方法可進(jìn)一步分為主動(dòng)式制冷結(jié)露法和被動(dòng)式制冷取水法(比如集霧法、輻射制冷法等)2類(lèi)。膜分離法則是利用滲透壓作為驅(qū)動(dòng)力從空氣中捕獲水蒸氣，是一種新興的空氣取水技術(shù)，尚處于研究階段。因此，現(xiàn)對(duì)制冷結(jié)露法[8-11]和吸附法[12-14]進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。制冷結(jié)露法是將濕空氣的溫度降到露點(diǎn)溫度以下，使水蒸氣結(jié)露，從而獲得淡水的方法。降低濕空氣的溫度可以通過(guò)自然制冷或人工制冷的方法實(shí)現(xiàn)。

　　自然制冷的方法[15-16]雖然不消耗能源，但卻受氣候條件所限，難以推廣和應(yīng)用;且由于干旱地區(qū)露點(diǎn)溫度常低于15℃，甚至低于0℃[17]，因此要使溫度降到露點(diǎn)以下，需要消耗更多的能量[18]。此外，制冷結(jié)露法包含多個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，且需要冷卻大量的空氣來(lái)滿足用水需求，會(huì)進(jìn)一步造成能量損失[19]。在能源供應(yīng)方面，傳統(tǒng)的采用氯氟烴的制冷方法會(huì)造成臭氧空洞問(wèn)題，而采用太陽(yáng)能光伏組件來(lái)提供所需能耗，則會(huì)造成初始成本高和維護(hù)成本高的問(wèn)題。

　　吸附法[12-14,20-21]是采用液體或固體干燥劑吸收濕空氣中的水蒸氣，然后通過(guò)干燥劑的再生獲得需要的淡水。其中，液體吸收法的裝置復(fù)雜，體積龐大，循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)有一定的腐蝕性，且化學(xué)試劑不夠安全，因此這種方法獲得的淡水不適合飲用。相比于制冷結(jié)露法，吸附式空氣取水技術(shù)具有不需要電能或機(jī)械能輸入、占地面積小、運(yùn)動(dòng)部件少、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(zhǎng)、可利用可再生能源(如太陽(yáng)能、廢熱等)等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著相關(guān)吸附材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷凝強(qiáng)化、相關(guān)設(shè)備等的重大突破，以及化石燃料的不斷消耗和可再生能源的成熟運(yùn)用，太陽(yáng)能吸附空氣取水技術(shù)引起了世界各地學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

　　綜上，本文將針對(duì)太陽(yáng)能吸附式空氣取水技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。首先，介紹了吸附式空氣取水技術(shù)的基本理論，并提出評(píng)價(jià)其性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn);其次，分別從吸附材料、傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)3方面介紹了吸附式空氣取水技術(shù)的研究進(jìn)展;然后，列舉了太陽(yáng)能吸附式空氣取水器的實(shí)際案例并總結(jié)了其性能;最后，從技術(shù)角度提出了太陽(yáng)能吸附式空氣取水技術(shù)的發(fā)展方向和展望。

　　1吸附式空氣取水概述

　　1.1太陽(yáng)能吸附式空氣取水系統(tǒng)原理

　　太陽(yáng)能吸附式空氣取水系統(tǒng)(atmosphericwatergenerator，AWG)的原理圖，其基本工作過(guò)程可以分為：開(kāi)式吸附過(guò)程和閉式解吸-冷凝過(guò)程。系統(tǒng)的基本工作原理是：夜間利用吸附劑表面的蒸汽壓與環(huán)境空氣的蒸汽壓的差值作為吸濕動(dòng)力，完成吸附過(guò)程;然后在白天利用太陽(yáng)能來(lái)提高吸附劑表面的蒸汽壓，達(dá)到使水蒸氣脫附的目的;最后通過(guò)冷凝將水蒸氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)水。

　　太陽(yáng)能吸附式空氣取水系統(tǒng)的工作過(guò)程為：夜晚時(shí)，空氣溫度低、濕度高，在風(fēng)機(jī)的作用下，空氣進(jìn)入吸附床，空氣中的水分被吸附劑吸收并儲(chǔ)存在吸附床中，干空氣被排放到環(huán)境中;白天時(shí)，利用太陽(yáng)能加熱循環(huán)空氣，高溫氣體流經(jīng)吸附床時(shí)，吸附劑再生，解吸出的高溫高濕氣體流入冷凝器，而后被冷凝成液態(tài)水。水蒸氣的熱力循環(huán)過(guò)程為①→②→③→④。其中，①→②表示環(huán)境壓力下，空氣中的水分被吸附劑吸收的過(guò)程，該過(guò)程釋放出吸附熱，所以溫度有所升高;②→③表示被吸附的水分在吸附床內(nèi)被加熱的過(guò)程，水蒸氣的分壓力由環(huán)境溫度下的飽和壓力p1升高到冷凝溫度下的飽和壓力p2;③→④表示從吸附劑內(nèi)解吸出的水蒸氣在冷凝器中的冷凝過(guò)程。

　　2吸附式空氣取水技術(shù)的研究進(jìn)展

　　通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的回顧可以看出，對(duì)太陽(yáng)能吸附式空氣取水技術(shù)的研究主要集中在吸附材料、傳熱傳質(zhì)優(yōu)化、系統(tǒng)改進(jìn)這3方面。對(duì)吸附式空氣取水技術(shù)來(lái)說(shuō)，吸附材料的吸附性能從根本上決定著吸附式空氣取水裝置的取水性能;傳熱傳質(zhì)過(guò)程對(duì)取水性能也至關(guān)重要;而空氣取水系統(tǒng)則關(guān)系著空氣取水技術(shù)能否走向?qū)嵱没�。下文將從這3個(gè)方面分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

　　2.1吸附材料的研究現(xiàn)狀

　　吸附劑的選擇從根本上決定了吸附式空氣取水技術(shù)的性能。平衡吸濕量是反映材料吸濕能力大小的重要指標(biāo)，吸附材料解吸的難易程度則決定了解吸能耗的大小。材料的吸附和解吸速度對(duì)空氣取水的循環(huán)周期長(zhǎng)短有重要影響。不同材料的吸附和解吸特性存在較大差別，這與材料自身的狀態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。吸附劑應(yīng)具有的特點(diǎn)為：良好的循環(huán)取水能力，即在吸附時(shí)(自然氣候條件下)，吸水能力隨著相對(duì)濕度的增加而增加;低溫解吸時(shí)的高解吸能力，以便利用低品位能源，比如太陽(yáng)能。

　　為了獲得這樣的高性能吸附材料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并且取得了重大進(jìn)展。常規(guī)的吸附劑有分子篩[23]、硅膠[24-25]、沸石[26-27]、吸濕性鹽(如氯化鋰[28-29]、氯化鈣[30-32]、氯化溴[33-34])等，但是它們的取水能力低，解吸能耗高。新型吸附材料如納米多孔無(wú)機(jī)材料[35]、復(fù)合材料[36-39]、金屬有機(jī)骨架化合物(MOFs)[40-43]等展現(xiàn)了巨大的吸水潛力。ARISTOV等[30-31]提出了復(fù)合吸附劑——多孔基質(zhì)+吸濕性鹽的概念，并提供了一種新型的吸附劑設(shè)計(jì)理念;隨后還提出并研究了KSKG硅膠/CaCl2復(fù)合吸附劑，其吸水能力高達(dá)0.70～0.75g/g，解吸溫度只需50～80℃。

　　基于此，在過(guò)去的20多年，學(xué)者們開(kāi)發(fā)并研究了大量的復(fù)合吸附材料。劉業(yè)鳳[44-46]提出的新型復(fù)合吸附劑SiO2•xH2O•yCaCl2吸附水量大，吸附速度快，在空氣溫度恒為25℃、相對(duì)濕度為40%的條件下，這種復(fù)合吸附劑的平衡吸附能力為0.4g/g，且解吸溫度低(60～80℃)，可利用低品位熱能，尤其是太陽(yáng)能。JI等[47]開(kāi)發(fā)了吸附劑MCM-41/CaCl2，并研究了不同CaCl2濃度對(duì)其吸附能力的影響，發(fā)現(xiàn)最佳濃度范圍為50%～60%，此時(shí)吸附劑的吸水能力最高，可達(dá)1.75g/g。該吸附劑在80℃再生溫度下解吸能力可達(dá)90%以上。

　　此外，作者指出，該吸附劑的吸附性能在幾個(gè)月的吸附解吸循環(huán)運(yùn)行后會(huì)略有下降。ZHENG等[48]研究了SG/LiCl復(fù)合吸附劑，發(fā)現(xiàn)其吸水能力隨著相對(duì)濕度的增加而增加。WANG等[49]研究了以活性炭纖維氈為基質(zhì)的復(fù)合吸濕性鹽氯化鈣的復(fù)合吸附劑ACFCaCl230，發(fā)現(xiàn)其在20℃和70%RH(相對(duì)濕度)的條件下，吸水能力高達(dá)1.7g/g，是硅膠-CaCl2的3倍。但是該吸附劑吸水后會(huì)變形，不能提供穩(wěn)定的傳質(zhì)通道。WANG等[50-51]開(kāi)發(fā)了以活性炭纖維氈為基質(zhì)的復(fù)合吸濕性鹽氯化鈉的固化復(fù)合吸附劑ACF-LiCl，其最大循環(huán)取水能力高達(dá)0.65g/g，且其取水能力隨著相對(duì)濕度的增加而急劇提高。MOF是一種新型復(fù)合吸附劑，是由有機(jī)配體和金屬離子或團(tuán)簇通過(guò)配位鍵自組裝形成的多孔面心立方拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　通過(guò)組合不同的金屬和有機(jī)配體，可以改變MOF的性能，使其選擇性的吸附某種氣體。KIM等[52]合成了MOF-801，在20%RH條件下取水量高達(dá)2.8g/g，循環(huán)取水能力為0.24g/g，但其僅在10%～20%的相對(duì)濕度范圍內(nèi)較為有效。

　　2.2傳熱傳質(zhì)的優(yōu)化研究

　　吸附式空氣取水的性能不僅與吸附劑的特性有關(guān)，吸附、解吸過(guò)程中的熱質(zhì)傳遞速率和效率也至關(guān)重要。

　　2.2.1吸附床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化許多學(xué)者都采用了KIM等[52]設(shè)計(jì)的單層平板式吸附床結(jié)構(gòu)。在吸附工況下，濕空氣與吸附床只有一面相接觸，因此為了獲得足夠的淡水，需要供給大量濕空氣，從而導(dǎo)致了高能耗;而且由于單位集熱器面積的取水量也較低，所以效率不高。GORDEEVA等[33]將吸附材料放置在2塊平板上，吸附床的質(zhì)量為250～350g，典型吸附平衡時(shí)間為50～60h，解吸時(shí)間為30h。

　　JI等[47]使用的也是單層結(jié)構(gòu)的吸附床，吸附劑填充質(zhì)量很少，只有0.4kg，取水量低，難以滿足需求。GAD等[21]研究發(fā)現(xiàn)，吸附床的吸水能力取決于吸附面積和傳質(zhì)系數(shù)，并開(kāi)發(fā)了波紋式吸附床結(jié)構(gòu)來(lái)擴(kuò)大吸附面積。但由于其使用了易變形的布料作為鹽的載體，填充量小，每天的取水量只有1.5kg/m2。

　　3太陽(yáng)能吸附式空氣取水的實(shí)際應(yīng)用

　　本文第2部分總結(jié)了一些典型的太陽(yáng)能吸附式空氣取水系統(tǒng)的研究進(jìn)展，但這些都是在實(shí)驗(yàn)室條件下展開(kāi)和研究的，具有一定的局限性。不過(guò)，太陽(yáng)能吸附式空氣取水技術(shù)在實(shí)際中也有一些工程案例，下文主要介紹2種太陽(yáng)能吸附式空氣取水器。

　　4展望

　　通過(guò)前文的分析，為了構(gòu)建高效、經(jīng)濟(jì)并可擴(kuò)展的太陽(yáng)能吸附式空氣取水器，從技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，可以從吸附材料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、強(qiáng)化冷凝幾個(gè)方向努力。

　　1)吸附材料。理想的吸附材料應(yīng)該是對(duì)溫度敏感的，應(yīng)具有以下特點(diǎn)：在低溫吸附階段，其吸水能力隨著相對(duì)濕度的增加而增加;在高溫解吸階段，其吸水能力隨著溫度的增加而急劇下降，即易于脫附水蒸氣�？紤]到不同地區(qū)存在氣候差異，即使在同一個(gè)地方，全年甚至每天的氣候也會(huì)有很大的波動(dòng)，因此吸附劑應(yīng)該具有在不同氣候條件下的廣泛適應(yīng)性。

　　2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：首先，應(yīng)該匹配干燥劑的再生和水蒸氣的冷凝溫度。對(duì)冷凝器來(lái)說(shuō)，要想維持較低的單位取水能耗，入口空氣應(yīng)該低溫而高濕。但與此同時(shí)，要想獲得較高的單位取水量，吸附床出口的水蒸氣狀態(tài)應(yīng)該是高溫且低相對(duì)濕度，這意味著更高的解吸量，吸附床出口和冷凝器入口的空氣可以看作處于同一狀態(tài)。其次，應(yīng)該強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過(guò)程。太陽(yáng)能吸附式空氣取水器的投資和運(yùn)行成本是制約其實(shí)用性的關(guān)鍵因素，而傳熱傳質(zhì)的改善不僅可以提高系統(tǒng)能效，還可以使系統(tǒng)更加緊湊，有利于促進(jìn)太陽(yáng)能空氣取水的規(guī)�；瘧�(yīng)用。

　　3)強(qiáng)化冷凝，研發(fā)高效冷凝器。從表3也可以看出，盡管吸附材料的吸水能力高，但取水效率制約著最終的取水量。這就要求需要設(shè)計(jì)出強(qiáng)化的冷凝器使水蒸氣可以高效地轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，提高集水效率。比如，高效輻射冷卻板即使在白天也可以提供5～10℃的冷卻水，不僅可以用來(lái)直接冷卻水蒸氣，還可以作為經(jīng)濟(jì)冷源來(lái)提高系統(tǒng)性能;地埋管也可以提供10～16℃的冷卻水，也可考慮作為高效冷源。

　　5結(jié)論

　　本文對(duì)太陽(yáng)能吸附式空氣取水的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。其因裝置簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)、可擴(kuò)展、較經(jīng)濟(jì)、輸入能源清潔可再生而具有非常大的發(fā)展?jié)摿�。然而，盡管高取水性能的吸附劑和具有良好傳熱傳質(zhì)結(jié)構(gòu)的吸附床都取得了突破性的進(jìn)展，但是現(xiàn)有的太陽(yáng)能吸附式空氣取水器鮮有得到大規(guī)模應(yīng)用。從其性能指標(biāo)來(lái)看，高效性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性、寬工況適應(yīng)性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性并不能同時(shí)得到滿足。為了構(gòu)建高效、經(jīng)濟(jì)并可擴(kuò)展的太陽(yáng)能吸附式空氣取水器，從技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，可以從吸附材料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、強(qiáng)化冷凝幾個(gè)方向努力。

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　　建筑論文投稿刊物：山西建筑創(chuàng)刊于1975年，由山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳主管，山西省建筑科學(xué)研究院主辦，面向國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行，是山西省建設(shè)行業(yè)唯一的一份國(guó)家級(jí)刊物，山西省一級(jí)期刊。