上海交大王如竹教授ITEWA团队在多孔超吸湿凝胶空气取水领域取得新进展

　　

近日，上海交通大学王如竹教授领衔的“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA在物理领域国际期刊Applied Physics Reviews上发表了题为“Daytime air–water harvesting based on super hygroscopic porous gels with simultaneous adsorption–desorption”的研究论文。团队通过非离子型表面活性剂羟丙甲基纤维素与氯化锂经物理发泡形成多孔吸湿凝胶，提出了空气取水领域的“8020原则”，在“解吸腔”和“冷凝腔”并联式装配的原理样机上验证了实际取水性能，为日间低成本连续式空气取水提供了一种新的可行路径。制冷与低温工程研究所博士后香承杰和博士研究生杨辛格为论文第一作者，王如竹教授为通讯作者。

空气取水技术是缓解淡水资源短缺的有效途径。近年来，太阳能驱动的吸附式空气取水技术因其高适应性和低成本等优势得到广泛关注，有望在任何时间和地点生产符合安全饮水标准的清洁水。目前的研究开发了MOF、碳纳米材料、水凝胶等众多吸附材料，为了提高吸附材料的吸湿能力，无一例外地选择了与吸湿盐的复合，其中水凝胶因独特的肿胀性能而具有良好的储水能力，成为盐负载的首选基质。然而，传统水凝胶基质受到盐析效应的影响，聚合物的水溶性因盐的存在而降低。盐析效应导致聚合物链聚集，抑制了水凝胶的肿胀，从而限制了它们的水转移、水储存能力，导致盐偏聚、泄露，最终限制了水蒸气的吸附能力。

连续式空气取水“8020”运行原则

A-C.空心微球多孔吸湿凝胶，D-E.吸附/解吸动力学曲线，F解吸腔/冷凝腔串联的空气取水装置

为此，研究团队在材料层面通过非离子型表面活性剂羟丙甲基纤维素与吸湿性盐氯化锂经物理发泡形成多孔吸湿凝胶，一方面解决了盐的泄露问题，另一方面提高了吸湿凝胶的吸附动力学性能。研究团队在装置层面开发了解吸腔和冷凝腔分离的并联式结构，极大提高了冷凝水回收效率，实现了日间同时吸附解吸的连续式空气取水。研究团队在系统运行层面，提出了太阳能驱动的被动式空气取水运行的“8020”原则，实现了太阳能和吸附材料的利用效率的最大化，实验证明在日间宽湿度工况下太阳能驱动的连续高效空气取水，材料吸附量高达6.4 kg_water·kg_sorbent^-1，装置单日取水量高达3.82 L_waterkg_sorbent^-1day^-1和1.93 L_waterm^-2day^-1。该工作阐明了材料结构设计、装置和系统运行策略对空气取水的重要意义，为实现规模化高效吸附式空气取水提供了可行的新思路。

本研究还受到ScienceDaily、EurekAlert、AIP Publishing等多家国外知名学术媒体的关注和报道。

王如竹教授领衔的ITEWA（Innovation Team for Energy, Water & Air）交叉学科创新团队致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现从材料到系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Science、Joule、Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Nature Water、Nature Communications等国际期刊上发表系列多学科交叉论文。

原文链接：https://pubs.aip.org/aip/apr/article/10/4/041413/2925742/Daytime-air-water-harvesting-based-on-super

作者：

制冷与低温工程研究所

供稿单位：

机械与动力工程学院