摘要：太陽能吸附式空氣取水具有裝置簡單、效率高、輸入能源清潔可再生的顯著優勢，近年來發展迅速。通過對太陽能吸附式空氣取水的相關研究文獻進行分析和總結，發現目前的研究主要集中在吸附材料、強化傳熱傳質和系統優化等幾個方面;對每個研究方向的進展具體展開，并對衡量空氣取水性能的主要指標進行總結;提出了改善太陽能吸附式空氣取水性能應深入研究的方向，即研發高效冷凝器、降低冷凝溫度，以及提高解吸蒸汽的露點溫度，研發適應不同氣候和地區的個性化設計，進行高效熱回收，提高系統能效等。

　　關鍵詞：空氣取水裝置;吸附;吸附劑;凝結;取水性能;太陽能

　　0引言

　　水是生命之源，所有生命的生存和發展都離不開水。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活動導致的荒漠化問題無疑是一場嚴峻的自然災害[2]。淡水資源短缺已經成為一個世界性難題，據統計，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]。聯合國曾在世界水日到來之際提出告誡：如果各國政府不采取有利措施，到2025年將有大約1/3的人口無法獲得干凈、安全的飲用水供應[1]。我國由于人口眾多，人均淡水資源占有量不足世界平均值的1/3[4]。此外，由于復雜的地質和氣候條件，我國的水資源在時間和空間上的分布也極為不均勻，其中，南部和東部地區水資源較為豐富，而西北部地區水資源則較為匱乏。

　　對于缺乏天然水資源的地區來說，穩定的供水來源至關重要。在地球的大氣中蘊含著豐富的水資源(云、水蒸氣和霧)，且不受地理位置的制約，是一個天然的淡水水庫，據計算，其中含有大約1.29×1013m3的淡水[5]。此外，由于大氣環流的作用，大氣中的水分會保持較穩定的值，即使在干旱的沙漠地區，大氣濕度也可以超過10g/m3[6]。根據質量守恒原理，空氣的溫度升高時，地表的水分會蒸發，導致水量減少，而空氣的絕對含濕量則會增加。因此，可將空氣看作是巨大的、清潔且可再生的水資源。空氣取水技術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地區人們的用水需求[7]，尤其是海島地區，那里的空氣中蘊涵著大量的淡水資源。

　　目前，國內外空氣取水技術可分為3大類：表面冷卻法、膜分離法和吸附/吸收法。其中，表面冷卻法是通過將濕空氣流過冷卻表面，使水蒸氣冷凝為液態水;該方法可進一步分為主動式制冷結露法和被動式制冷取水法(比如集霧法、輻射制冷法等)2類。膜分離法則是利用滲透壓作為驅動力從空氣中捕獲水蒸氣，是一種新興的空氣取水技術，尚處于研究階段。因此，現對制冷結露法[8-11]和吸附法[12-14]進行簡要介紹。制冷結露法是將濕空氣的溫度降到露點溫度以下，使水蒸氣結露，從而獲得淡水的方法。降低濕空氣的溫度可以通過自然制冷或人工制冷的方法實現。

　　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，難以推廣和應用;且由于干旱地區露點溫度常低于15℃，甚至低于0℃[17]，因此要使溫度降到露點以下，需要消耗更多的能量[18]。此外，制冷結露法包含多個能量轉換過程，且需要冷卻大量的空氣來滿足用水需求，會進一步造成能量損失[19]。在能源供應方面，傳統的采用氯氟烴的制冷方法會造成臭氧空洞問題，而采用太陽能光伏組件來提供所需能耗，則會造成初始成本高和維護成本高的問題。

　　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，然后通過干燥劑的再生獲得需要的淡水。其中，液體吸收法的裝置復雜，體積龐大，循環時間長，會有一定的腐蝕性，且化學試劑不夠安全，因此這種方法獲得的淡水不適合飲用。相比于制冷結露法，吸附式空氣取水技術具有不需要電能或機械能輸入、占地面積小、運動部件少、噪聲低、結構簡單、成本低、壽命長、可利用可再生能源(如太陽能、廢熱等)等優點。近年來，隨著相關吸附材料、結構設計、冷凝強化、相關設備等的重大突破，以及化石燃料的不斷消耗和可再生能源的成熟運用，太陽能吸附空氣取水技術引起了世界各地學者們的廣泛關注。

　　綜上，本文將針對太陽能吸附式空氣取水技術的研究現狀進行總結。首先，介紹了吸附式空氣取水技術的基本理論，并提出評價其性能優劣的標準;其次，分別從吸附材料、傳熱傳質強化設計和系統3方面介紹了吸附式空氣取水技術的研究進展;然后，列舉了太陽能吸附式空氣取水器的實際案例并總結了其性能;最后，從技術角度提出了太陽能吸附式空氣取水技術的發展方向和展望。

　　1吸附式空氣取水概述

　　1.1太陽能吸附式空氣取水系統原理

　　太陽能吸附式空氣取水系統(atmosphericwatergenerator，AWG)的原理圖，其基本工作過程可以分為：開式吸附過程和閉式解吸-冷凝過程。系統的基本工作原理是：夜間利用吸附劑表面的蒸汽壓與環境空氣的蒸汽壓的差值作為吸濕動力，完成吸附過程;然后在白天利用太陽能來提高吸附劑表面的蒸汽壓，達到使水蒸氣脫附的目的;最后通過冷凝將水蒸氣轉化為液態水。

　　太陽能吸附式空氣取水系統的工作過程為：夜晚時，空氣溫度低、濕度高，在風機的作用下，空氣進入吸附床，空氣中的水分被吸附劑吸收并儲存在吸附床中，干空氣被排放到環境中;白天時，利用太陽能加熱循環空氣，高溫氣體流經吸附床時，吸附劑再生，解吸出的高溫高濕氣體流入冷凝器，而后被冷凝成液態水。水蒸氣的熱力循環過程為①→②→③→④。其中，①→②表示環境壓力下，空氣中的水分被吸附劑吸收的過程，該過程釋放出吸附熱，所以溫度有所升高;②→③表示被吸附的水分在吸附床內被加熱的過程，水蒸氣的分壓力由環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表示從吸附劑內解吸出的水蒸氣在冷凝器中的冷凝過程。

　　2吸附式空氣取水技術的研究進展

　　通過對文獻的回顧可以看出，對太陽能吸附式空氣取水技術的研究主要集中在吸附材料、傳熱傳質優化、系統改進這3方面。對吸附式空氣取水技術來說，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;傳熱傳質過程對取水性能也至關重要;而空氣取水系統則關系著空氣取水技術能否走向實用化。下文將從這3個方面分別進行詳細介紹。

　　2.1吸附材料的研究現狀

　　吸附劑的選擇從根本上決定了吸附式空氣取水技術的性能。平衡吸濕量是反映材料吸濕能力大小的重要指標，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空氣取水的循環周期長短有重要影響。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、組成、結構等有關。吸附劑應具有的特點為：良好的循環取水能力，即在吸附時(自然氣候條件下)，吸水能力隨著相對濕度的增加而增加;低溫解吸時的高解吸能力，以便利用低品位能源，比如太陽能。

　　為了獲得這樣的高性能吸附材料，國內外學者進行了大量的研究，并且取得了重大進展。常規的吸附劑有分子篩[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機材料[35]、復合材料[36-39]、金屬有機骨架化合物(MOFs)[40-43]等展現了巨大的吸水潛力。ARISTOV等[30-31]提出了復合吸附劑——多孔基質+吸濕性鹽的概念，并提供了一種新型的吸附劑設計理念;隨后還提出并研究了KSKG硅膠/CaCl2復合吸附劑，其吸水能力高達0.70～0.75g/g，解吸溫度只需50～80℃。

　　基于此，在過去的20多年，學者們開發并研究了大量的復合吸附材料。劉業鳳[44-46]提出的新型復合吸附劑SiO2•xH2O•yCaCl2吸附水量大，吸附速度快，在空氣溫度恒為25℃、相對濕度為40%的條件下，這種復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，尤其是太陽能。JI等[47]開發了吸附劑MCM-41/CaCl2，并研究了不同CaCl2濃度對其吸附能力的影響，發現最佳濃度范圍為50%～60%，此時吸附劑的吸水能力最高，可達1.75g/g。該吸附劑在80℃再生溫度下解吸能力可達90%以上。

　　此外，作者指出，該吸附劑的吸附性能在幾個月的吸附解吸循環運行后會略有下降。ZHENG等[48]研究了SG/LiCl復合吸附劑，發現其吸水能力隨著相對濕度的增加而增加。WANG等[49]研究了以活性炭纖維氈為基質的復合吸濕性鹽氯化鈣的復合吸附劑ACFCaCl230，發現其在20℃和70%RH(相對濕度)的條件下，吸水能力高達1.7g/g，是硅膠-CaCl2的3倍。但是該吸附劑吸水后會變形，不能提供穩定的傳質通道。WANG等[50-51]開發了以活性炭纖維氈為基質的復合吸濕性鹽氯化鈉的固化復合吸附劑ACF-LiCl，其最大循環取水能力高達0.65g/g，且其取水能力隨著相對濕度的增加而急劇提高。MOF是一種新型復合吸附劑，是由有機配體和金屬離子或團簇通過配位鍵自組裝形成的多孔面心立方拓撲結構。

　　通過組合不同的金屬和有機配體，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2.8g/g，循環取水能力為0.24g/g，但其僅在10%～20%的相對濕度范圍內較為有效。

　　2.2傳熱傳質的優化研究

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

　　2.2.1吸附床結構的優化許多學者都采用了KIM等[52]設計的單層平板式吸附床結構。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，吸附床的質量為250～350g，典型吸附平衡時間為50～60h，解吸時間為30h。

　　JI等[47]使用的也是單層結構的吸附床，吸附劑填充質量很少，只有0.4kg，取水量低，難以滿足需求。GAD等[21]研究發現，吸附床的吸水能力取決于吸附面積和傳質系數，并開發了波紋式吸附床結構來擴大吸附面積。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太陽能吸附式空氣取水的實際應用

　　本文第2部分總結了一些典型的太陽能吸附式空氣取水系統的研究進展，但這些都是在實驗室條件下展開和研究的，具有一定的局限性。不過，太陽能吸附式空氣取水技術在實際中也有一些工程案例，下文主要介紹2種太陽能吸附式空氣取水器。

　　4展望

　　通過前文的分析，為了構建高效、經濟并可擴展的太陽能吸附式空氣取水器，從技術的角度來說，可以從吸附材料、系統設計、強化冷凝幾個方向努力。

　　1)吸附材料。理想的吸附材料應該是對溫度敏感的，應具有以下特點：在低溫吸附階段，其吸水能力隨著相對濕度的增加而增加;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。考慮到不同地區存在氣候差異，即使在同一個地方，全年甚至每天的氣候也會有很大的波動，因此吸附劑應該具有在不同氣候條件下的廣泛適應性。

　　2)系統設計：首先，應該匹配干燥劑的再生和水蒸氣的冷凝溫度。對冷凝器來說，要想維持較低的單位取水能耗，入口空氣應該低溫而高濕。但與此同時，要想獲得較高的單位取水量，吸附床出口的水蒸氣狀態應該是高溫且低相對濕度，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。其次，應該強化傳熱傳質過程。太陽能吸附式空氣取水器的投資和運行成本是制約其實用性的關鍵因素，而傳熱傳質的改善不僅可以提高系統能效，還可以使系統更加緊湊，有利于促進太陽能空氣取水的規模化應用。

　　3)強化冷凝，研發高效冷凝器。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。這就要求需要設計出強化的冷凝器使水蒸氣可以高效地轉化為液態水，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，不僅可以用來直接冷卻水蒸氣，還可以作為經濟冷源來提高系統性能;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結論

　　本文對太陽能吸附式空氣取水的研究現狀進行了總結。其因裝置簡單、結構緊湊、適應性強、可擴展、較經濟、輸入能源清潔可再生而具有非常大的發展潛力。然而，盡管高取水性能的吸附劑和具有良好傳熱傳質結構的吸附床都取得了突破性的進展，但是現有的太陽能吸附式空氣取水器鮮有得到大規模應用。從其性能指標來看，高效性、經濟性、可擴展性、寬工況適應性及長期穩定性并不能同時得到滿足。為了構建高效、經濟并可擴展的太陽能吸附式空氣取水器，從技術的角度來說，可以從吸附材料、系統設計、強化冷凝幾個方向努力。

　　[參考文獻]

　　[1]范宏武.吸附式空氣取水技術機理研究[D].上海:上海交通大學,2003.[2]RICHEYAS,THOMASBF,LOMH,etal.QuantifyingrenewablegroundwaterstresswithGRACE[J].Waterresourcesresearch,2015,51(7):5217-5238.

　　[3]MEKONNENMM,HOEKSTRAAY.Fourbillionpeoplefacingseverewaterscarcity[J].Scienceadvances,2016,2(2):e1500323.

　　[4]李強,郝秀淵.空氣取水技術研究綜述[J].山西建筑,2016,42(31):124-126.

　　[5]ALAYLIY,HADJINE,LEBLONDJ.Anewprocessfortheextractionofwaterfromair[J].Desalination,1987,67:227-229.

　　[6]GORDEEVALG,TOKAREVMM,PARMONVN,etal.Selectivewatersorbentsformultipleapplication,6.Freshwaterproductionfromtheatmosphere[J].Reactionkineticsandcatalysisletters,1998,65(1):153-159.

　　建筑論文投稿刊物：山西建筑創刊于1975年，由山西省住房和城鄉建設廳主管，山西省建筑科學研究院主辦，面向國內外公開發行，是山西省建設行業唯一的一份國家級刊物，山西省一級期刊。