上海交大王如竹团队提出基于先进热管理的超高产量太阳能驱动模块化空气取水装置

　　

近日，上海交大机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所王如竹教授ITEWA团队在Cell姊妹刊Device上发表了题为“Ultra-high-yield solar-driven modular atmospheric water harvester with improved heat management”的研究论文。论文基于系统层面的热量和质量管理策略，开发了一种具有串联模块化结构设计的吸附式空气取水装置。该装置通过串联同轴设计大幅减小了吸附床和冷凝器之间的不利热辐射，从而实现对解吸和冷凝过程的半解耦。这一研究为下一代水处理相关的装置设计提供了新的思路。本文第一作者为制冷与低温工程研究所博士生邓芳芳，王如竹教授为通讯作者。

到2030年，资源枯竭、环境污染和人类用水需求的急剧增长，将导致全球水资源缺口高达40%。基于吸附的空气取水技术作为一种新兴的、普遍适用的可持续取水技术，为缓解全球水危机提供了一条新的途径。然而，现有空气取水装置由于缺乏多维度的传热传质设计，动力学特性缓慢，导致系统层面的水产量较低。且复杂的结构、高昂的成本、难以规模化的系统配置，进一步限制了该技术的产业化进程。为此，我们从系统层面的热质管理出发，致力于构建低成本、高产量、可扩展的高效吸附式空气取水系统。

针对传统面对面式被动取水系统长期存在的热利用率、传质性能差等问题，该文提出了一种串联模块化结构设计的被动空气取水装置。在热量管理方面，该装置采用多层同轴圆柱结构的吸附床，成功地将太阳光吸收与吸附剂内水的解吸相解耦，从而保证了高效太阳光吸收，加速了水蒸气的释放。吸附床与冷凝器采用串联同轴布置，大幅减少了二者之前的不利热辐射，从而实现解吸侧的高效热聚集和冷凝侧的快速热释放，同时强化水蒸气的解吸和冷凝。在质量管理方面，该装置采用中心空气流道设计，引导解吸释放的水蒸气沿其密度梯度方向运动，不仅减小了水蒸气的传输阻力，又通过烟囱效应产生的热浮力，进一步加速水蒸气的迁移。因此，该装置可以在无需主动能源输入无需动力设备辅助的条件下，实现全天候的快速高效取水。

在相对湿度20-80%、太阳辐照强度300-1000 W m^-2的广泛地区下，该装置实现了0.91-3.78 kg m^-2 day^-1的水产量。通过在典型阴天、多云、晴天天气的取水测试，填补了以往被动式装置在低辐照地区应用的空白。且高达~3.78 kg m^-2 day^-1的每单位装置占地面积取水量和~0.047 kg L^-1 day^-1的每单位装置体积取水量，与以往报道的大多数取水装置相比，实现了跨数量级的产量提升。另外，单个模块的取水装置的制造成本仅为35.3美元，以商用可得的工业件作为原材料，保证了装置的稳定性和可靠性，使该装置在水产量、成本、长期耐久性以及实际产业化等方面具有更大的市场竞争力。

王如竹教授领衔的ITEWA多学科交叉创新团队（Innovative Team for Energy, Water&Air）长期致力于解决能源、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材料-器件-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，团队在Science、Joule、Energy & Environmental Science、Device等国际期刊上发表了系列跨学科交叉论文。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100441

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