全球基于连续吸附的大气水收集潜力：为缺水地区带来新希望

《iScience》：Global potential of continuous sorption-based atmospheric water harvesting

为解决淡水稀缺问题，研究人员评估连续吸附式大气水收集（SAWH）系统，明确其全球潜力及影响因素，意义重大。

　　### 研究背景：淡水危机下的探索
水，是生命之源，然而淡水稀缺却成为全球面临的严峻挑战。随着工业发展和人类活动的加剧，农业灌溉、工业生产和日常生活对淡水资源的依赖日益增强，不仅造成了水资源的污染，还使得淡水短缺问题愈发严重。在这样的背景下，海水淡化和大气水收集（AWH）等创新技术的研究成为了科学界关注的焦点。

与主要适用于沿海地区的海水淡化不同，AWH 技术为淡水生产提供了一种分散式的解决方案。其中，基于吸附剂的大气水收集（SAWH）技术在低湿度环境中展现出独特优势。不过，该技术也面临诸多难题。一方面，吸附剂的性能参差不齐，许多吸附剂存在水吸附容量低、吸附速率慢和脱附能耗高等问题。另一方面，连续 SAWH 系统虽能持续产水，但对吸附剂动力学要求较高，且系统设计需根据环境条件优化，此前关于其在低相对湿度（RH）下的效率也存在诸多疑问。因此，开发高效的 SAWH 系统，精准评估其在不同环境下的性能，成为解决淡水危机的关键所在。

研究团队与研究概况

为攻克这些难题，上海理工大学制冷与低温工程研究所等机构的研究人员 Wenjun Ying、Chunfeng Li、Liang Yang 等开展了深入研究。他们的研究成果发表在《iScience》杂志上，为 SAWH 技术的发展提供了重要的理论支持和实践指导。

研究人员通过建立先进的热力学模型，结合全球气象数据，全面评估了被动和主动连续 SAWH 系统的性能。他们选取了包括水凝胶、金属有机框架（MOFs）和复合材料等十二种先进吸附剂，综合考虑其等温线和动态特性，深入探究了这些吸附剂在不同气候条件下的表现，旨在为 SAWH 系统的优化设计和吸附剂的合理选择提供科学依据。

研究方法

1. 建立模型：构建了被动和主动连续 SAWH 系统的理想物理模型。被动系统利用太阳能，通过透明玻璃面板和太阳能集热器实现水的吸附和脱附；主动系统则借助三个主动能源，通过调节温度来实现水的收集。同时，建立了相应的数学模型，分别以太阳能辐照强度和最大水提取量、调节三个热 / 冷源温度实现固定水量收集并最小化能耗为输入输出，来描述系统性能。
2. 数据处理：使用来自 NASA 的高分辨率气象数据，包括大气温度、湿度、表面压力和太阳辐射等，通过特定公式计算相对湿度（RH），为后续分析提供准确的数据支持。
3. 性能评估指标：提出特定水产量（SWY）和特定能耗（SEC）两个指标，分别用于评估被动和主动连续 SAWH 系统的性能。
4. 优化与分析：针对不同吸附剂优化连续系统的运行模式，通过改变吸附和脱附时间来最大化水产量。同时，进行地理空间分析，考虑季节性变化，筛选出适合不同地区的吸附剂，并分析气象因素对系统性能的影响。

研究结果

1. 吸附剂选择：通过对十二种吸附剂的静态吸附特性分析，发现水凝胶吸附剂在水吸收方面表现突出。最终选取了 Bina/FCNTs_s、LiCl@rGO-SA 和 Super Moisture-Absorbents Gels（SMAG）三种水凝胶吸附剂进行深入研究。吸附动力学也是影响连续水收集系统性能的重要因素，研究人员利用线性驱动力（LDF）方程计算不同条件下的吸附和脱附速率，误差在 5% 以内，为后续研究提供了可靠的动力学数据。
2. 系统运行模式优化：对于被动系统，研究人员优化了其运行模式，重点关注圆柱体完成一次旋转的时间和受太阳照射的面积。以 Bina/FCNTs_s为例，在 30°C 和 60% RH 的条件下，通过算法自动识别出最佳运行区间，使吸附和脱附逐渐稳定，实现了大气水向液态水的高效转化。不同环境条件下的最佳运行模式虽有差异，但并不显著，所选运行模式与最佳模式的最大差异在 ±5 分钟，最大水产量变化小于 3%。
3. 地理空间分析 - 最大水产量：研究人员考虑到天气条件对 SAWH 效率的显著影响，实施了水收集量和间歇性的限制，并结合季节性变化筛选吸附剂。通过计算最小季节性水收集量及其相对标准偏差（RSD），确定了适合不同地区的吸附剂。结果显示，约 39.53% 的陆地面积可以实现全年稳定的水提取，高应用潜力地区主要集中在赤道附近的高温高湿区域，如东南亚、中非和南美洲北部，这些地区 SMAG 是首选吸附剂；LiCl@rGO-SA 则更适合干旱地区，但部分地区因 RSD 或最小水提取量不达标而受到限制。湿度比与 SWY 的相关性最强，约为 86.41%，其次是温度和太阳辐射，分别约为 47.41% 和 28.80%，大气压力与 SWY 的相关性较弱。
4. 地理空间分析 - 最小能源需求：主动系统的地理空间分析表明，其覆盖了 55.27% 的大陆面积，能够随时获取淡水。不同吸附剂在不同湿度条件下有不同的适用性，Bina/FCNTs_s适用于高湿度（RH>77%）和中等湿度条件，SMAG 适用于其他大部分工作条件，LiCl@rGO-SA 仅适用于极端干旱环境。湿度比和 RH 与能耗呈负相关，温度对能耗的影响则因角度不同而有所差异，从湿度比角度看，温度越高能耗越高，从 RH 角度看则相反。
5. 区域挑战：研究人员选取了撒哈拉沙漠、北京和新德里三个典型地区进行研究。撒哈拉沙漠全年高温低湿，被动系统水提取能力有限，主动系统在有足够能源时可显著提高水产量；北京冬季寒冷，应用 SAWH 面临挑战，存在无法全年稳定取水和 RH 波动大等问题；新德里气候季节性波动大，不同季节适合不同的吸附剂，根据季节更换吸附剂可提升 SAWH 性能。

研究结论与意义

本研究通过建立理想的被动和主动连续 SAWH 系统模型，全面评估了不同吸附剂的性能，为优化现有吸附剂和制定特定地点的部署策略提供了宝贵的参考。研究发现，吸湿性更高、等温线更陡峭、动力学更快的吸附剂在相同气候条件下对连续系统更有利，温度和湿度对系统性能的影响比压力和太阳辐射更为显著。这一研究成果有助于指导新型吸附剂的制备、主动组件的部署和运行模式的优化，为全球缺水地区提供了高效的供水解决方案，对解决淡水稀缺问题具有重要的现实意义。

然而，该研究也存在一定的局限性，如未考虑当地人口和经济条件，模型中对吸附剂的一些假设可能与实际情况存在差异等。未来的研究可以在这些方面进行改进和拓展，进一步推动 SAWH 技术的发展和应用。