上海交大王如竹ITEWA团队提出基于吸湿凝胶的?全可再生能源驱动的连续式空气取水装置

　　

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领衔的ITEWA团队在Nature Communications上发表题为Enhanced continuous atmospheric water harvesting with scalable hygroscopic gel driven by natural sunlight and wind的论文，针对目前吸附式空气取水领域吸附剂吸附动力学缓慢和装置冷凝效率低两大技术难点，提出具有低传质阻力的互连多孔吸湿凝胶的可放大合成策略以及通过聚光提高解吸温度实现能效升级。该论文第一作者为制冷与低温工程研究所博士生杨辛格，王如竹教授和香承杰博士后为通讯作者。

吸湿凝胶因同时具有吸湿盐的高吸附量以及凝胶基质的高保水性和可调性，是吸附式空气取水的热点材料之一，然而高的内部传质阻力制约了空气取水装置日产水量的提升。鉴于此，团队通过物理发泡方式制备了孔隙率高达87.6%的互连多孔吸湿凝胶，使得水蒸气在吸附剂内部的传输几乎呈直线进行，内部扩散阻力显著低于活性炭纤维毡和密胺海绵等传统多孔基质。该吸附剂表现出快速的吸附-解吸动力学，在低湿及中高湿条件下其吸附动力学均优于现有的盐基复合吸附剂。该凝胶基吸附剂的制备方法较为简易，摆脱了对于真空低温环境的依赖，适合大规模生产。同时，团队开发了基于水蒸气-液态水两相传输的吸附动力学模型，用于吸附剂吸附性能的预测与优化。

根据吸附剂的快速吸附-解吸动力学特性，团队设计并制造了能够连续运行的太阳能空气取水装置。该装置采用解吸腔-冷凝器分体式设计，能够有效减少冷凝水带来的光强损失以及避免吸附剂对于冷凝表面的辐射加热，从而降低冷凝温度，提高冷凝速率。通过对吸附式空气取水技术进行热力学分析得出，在一定限度内装置的能量利用效率会随着解吸温度的提升而提升。因此，提出使用聚光器如菲涅尔透镜提高空气取水装置的输入光强，在4个太阳辐照强度（4 kW m^-2）的条件下，该装置展现出高达25.7%的能量利用效率，是1个太阳辐照强度下的两倍。同时，通过结构设计巧妙地引入自然风作为吸附床循环转动的动力源，实现了全可再生能源驱动的连续式空气取水装置。

图 (A) 光-风联合驱动的连续式空气取水装置示意图 (B) 材料吸附性能比较 (C) 装置取水性能比较 (D) 装置产水速率及能量利用效率比较（1 sun） (E) 装置户外完整日间取水性能测试

该空气取水装置在户外进行了十五天的完整日间取水测试，天气条件包含晴朗和多云天气，最终取得了高达3.5~8.9 Lwater m^-2 day^-1的日产水量和0.54~1.18 Lwater m^-2 h^-1的平均产水速率。其中，装置在晴朗天气下的平均产水速率较为稳定，证明了装置在材料和器件层面均具有良好的循环稳定性。通过分析全球年平均日太阳辐照以及年平均近地面风速分布，证明该装置在全球具有广泛的区域适用性。

吸附式空气取水技术是近年来兴起的从大气中获取饮用水的新颖技术，对于干旱、离网地区和紧急条件下饮用水的获取具有重要的研究意义和应用价值。该工作有望为干旱离网地区的清洁可持续水供应提供材料和器件设计等方面的新思路。

王如竹教授领衔的ITEWA团队近年来在Science、Nature Water、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Energy Letters等国际期刊上发表了系列跨学科交叉论文，该团队致力于解决能源、水、空气交叉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。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52137-4

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