太陽能驅(qū)動(dòng)吸附式大氣集水技術(shù)研究進(jìn)展

摘要：大氣集水技術(shù)是解決干旱地區(qū)水資源短缺的關(guān)鍵。討論了太陽能驅(qū)動(dòng)吸附式大氣集水系統(tǒng)的工作原理和影響集水性能的關(guān)鍵因素，總結(jié)了多種吸附材料的功能結(jié)構(gòu)、集水性能和最佳吸附條件，比較了各種材料的優(yōu)點(diǎn)和局限性。通過分析指出，巧妙地組合吸附基質(zhì)、導(dǎo)熱材料及吸濕鹽，可達(dá)到強(qiáng)化復(fù)合吸附劑性能的目的。為提升材料的性能，提出了改進(jìn)建議，包括改性活性炭、石墨烯官能團(tuán)，制備硅膠、氣凝膠和金屬有機(jī)框架復(fù)合材料，共聚不同單體強(qiáng)化水凝膠性能，制備復(fù)合吸濕鹽與沸石/多孔材料。提出的吸附材料改進(jìn)策略可為太陽能驅(qū)動(dòng)吸附式大氣集水技術(shù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：大氣集水；太陽能驅(qū)動(dòng)；吸附劑；吸附；解吸

中圖分類號(hào)：TQ424 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

淡水短缺是威脅社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的全球挑戰(zhàn)之一。太陽能作為一種清潔、可再生的能源，其在大氣集水、光伏熱系統(tǒng)和光熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用展現(xiàn)出巨大潛力［1?2］，特別是在干旱地區(qū)。因此太陽能驅(qū)動(dòng)的大氣集水技術(shù)因其環(huán)境友好和效益高而備受關(guān)注［3］。據(jù)聯(lián)合國預(yù)測(cè)，到2050 年將有6 億人面臨缺水問題，這使得開發(fā)高效、低成本的大氣集水技術(shù)變得尤為迫切［4］。大氣中蘊(yùn)含大量的水蒸氣，一旦能實(shí)現(xiàn)低成本、高效益的淡水提取，高達(dá)13 000 萬億L 的大氣水將成為干旱地區(qū)的可持續(xù)水源。本文將探討太陽能驅(qū)動(dòng)吸附式大氣集水系統(tǒng)的工作原理和影響集水性能的關(guān)鍵因素，綜述多種吸附材料的功能結(jié)構(gòu)、集水性能和最佳吸附條件，比較各種材料的優(yōu)缺點(diǎn)，并分析如何強(qiáng)化吸附劑性能。研究成果將為太陽能驅(qū)動(dòng)吸附式大氣集水技術(shù)的發(fā)展提供重要的參考和指導(dǎo)。

1 大氣集水技術(shù)的分類

大氣水以云、近地霧氣、空氣中的水汽三種類型存在。從泛用性考慮，大氣集水技術(shù)顯示出可為干旱地區(qū)供水的巨大應(yīng)用前景，并且較容易利用可再生能源（例如太陽能）驅(qū)動(dòng)取水系統(tǒng)工作［5］。Tu 等［6］闡述了目前大氣集水技術(shù)（AWHT）的進(jìn)展，包括輻射冷卻、太陽能蒸餾、基于吸附/解吸的集水技術(shù)等。Ahrestani 等［7］介紹了冷凝結(jié)露法和吸附法兩種大氣集水技術(shù)。冷凝結(jié)露法主要利用制冷設(shè)備提供冷表面將濕空氣冷凝至露點(diǎn)以下，并將析出的淡水收集。該方法一般適用于露點(diǎn)溫度高于10 ℃ 的環(huán)境工況。而基于吸附/解吸的集水技術(shù)對(duì)環(huán)境和氣候的要求較低，能實(shí)現(xiàn)在一年中任何時(shí)間和天氣產(chǎn)水［3］。吸附劑可捕獲大氣中的水蒸氣，并在太陽能驅(qū)動(dòng)下析出淡水。該方法本質(zhì)上是采用吸附?脫附循環(huán)來提高所處理空氣的露點(diǎn)，使其在較高冷凝溫度下依然能析出淡水，特別適用于沙漠地區(qū)。因此，為降低能源供給成本，實(shí)現(xiàn)沙漠地區(qū)的淡水提取，利用可再生能源（特別是太陽能）驅(qū)動(dòng)大氣集水系統(tǒng)是吸附/解吸大氣集水技術(shù)的重要發(fā)展方向。

2 太陽能驅(qū)動(dòng)吸附式大氣集水系統(tǒng)的工作原理

太陽能驅(qū)動(dòng)吸附式大氣集水（SAWH）系統(tǒng)是一種利用太陽能在一定相對(duì)濕度條件下從大氣中提取水的高效解決方案［8］。該系統(tǒng)工作過程主要包含水汽吸附、吸附劑再生、水蒸氣冷凝。吸附?再生?冷凝法利用干燥劑在夜間從潮濕的空氣中吸收水分，而后在太陽能驅(qū)動(dòng)下將水從干燥劑中解吸，產(chǎn)生的水蒸氣經(jīng)冷卻后凝結(jié)為淡水并被收集，同時(shí)冷凝熱釋放至環(huán)境中。圖1 為太陽能驅(qū)動(dòng)吸附式大氣集水示意圖。

3 SAWH系統(tǒng)性能的影響因素

SAWH系統(tǒng)性能受到太陽能的利用效率、環(huán)境參數(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和策略、吸附劑類型和特性等影響［9］。在水吸附?脫附循環(huán)中，與熱量和質(zhì)量傳遞相關(guān)的系統(tǒng)與策略設(shè)計(jì)是提高系統(tǒng)集水性能的重要因素，而吸附劑材料是影響整個(gè)系統(tǒng)集水性能的關(guān)鍵。吸附劑的吸附特性包括等溫吸附性能及動(dòng)態(tài)吸附特性，解吸能力則由驅(qū)動(dòng)溫度、解吸動(dòng)態(tài)特性、水分殘余量決定。吸附?再生?冷凝法主要利用吸附劑自發(fā)吸附空氣中的水蒸氣。除氣候條件和設(shè)備因素外，吸附材料的孔道結(jié)構(gòu)、親水性、導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性等也直接影響系統(tǒng)的水產(chǎn)量和能耗［10］。理想的吸附劑材料能夠在寬相對(duì)濕度范圍內(nèi)吸水，并隨溫度的升高脫水再生，且價(jià)格低廉，易于大規(guī)模推廣使用，因而不同吸附材料/基質(zhì)的研發(fā)受到廣泛關(guān)注。目前，已有多種類型的吸附劑被用于大氣集水，如固態(tài)吸濕劑、金屬有機(jī)框架（MOF）、水凝膠等［11］在大氣集水方面均展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。

4 太陽能驅(qū)動(dòng)吸附式大氣集水系統(tǒng)的吸附劑研究

4.1 常用吸附劑的性質(zhì)

4.1.1 活性炭/活性炭纖維/碳納米管

活性炭以非石墨微晶結(jié)構(gòu)為主，表面布滿了分子大小的“孔”（空隙、空間、位點(diǎn)、孔隙等）。這些孔道表面碳原子附近的范德華力是吸附過程的驅(qū)動(dòng)力。活性炭纖維（ACF）是繼顆粒活性炭、粉狀活性炭之后的第三代活性炭，具有比表面積大、微孔均勻、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能吸附H2O，被廣泛用作吸附劑基質(zhì)。Chen 等［12］以商用ACF 為基礎(chǔ)，采用真空活化法制備高比表面積活性炭纖維。結(jié)果表明，利用該方法制備的活性炭纖維的孔隙結(jié)構(gòu)得到顯著改善。經(jīng)過1050 ℃ 下活化2 h 的活性炭纖維，作為吸附劑在25 ℃ 下其水吸附量最大可達(dá)1.36 g/g（水吸附量均以g/g表示，指單位質(zhì)量吸附劑的吸附水量），比商用ACF 的（0.64 g/g）高出112.50%。為提高復(fù)合材料的載鹽量和吸水性并防止?jié)B漏，Ejeian 等［13］制備了LiCl/MgSO₄/ACF 二元鹽復(fù)合材料M10LS，其水吸附量達(dá)到2.29 g/g。在夏季，采用該材料的集水設(shè)備可從相對(duì)濕度（RH）35% 的空氣中集水，水吸附量為0.92 g/g。Wang等［14］報(bào)道了一種強(qiáng)制風(fēng)冷概念的驗(yàn)證裝置，用于島嶼空氣集水。該裝置采用21 kg 活性炭纖維毛條–硅溶膠–LiCl30 復(fù)合吸附劑材料ACFF/silica/LiCl30，在模擬島嶼條件下，利用空氣冷卻，每晝夜循環(huán)中可產(chǎn)生高達(dá)7.7 kg 水（在31 ℃ 和63%RH 下吸附），熱效率為0.37，水吸附量為0.7 ～ 1.6 g/g。針對(duì)低相對(duì)濕度下從大氣集水面臨的困難，Guo 等［ 15］制備了由生物質(zhì)和吸濕鹽組成的超吸濕性聚合物薄膜（SHPF），其在15% ～ 30%RH 下表現(xiàn)出高吸水性，水吸附量為0.64 ～ 0.96 g/g。憑借優(yōu)異的快速吸附?解吸動(dòng)力學(xué)性能，SHPF 在干旱環(huán)境中每天可完成14～24個(gè)吸附?解吸循環(huán)，每kg SHPF 可產(chǎn)生5.8 ～13.3 L水。通過改善ACF 表面含氧官能團(tuán)性能，重構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)ACF 在低相對(duì)濕度范圍內(nèi)的水蒸氣吸附能力。

4.1.2石墨烯

石墨烯具有良好的導(dǎo)熱性和電子傳遞性，有利于傳熱和吸附過程的進(jìn)行。利用超聲波分散、凍干和化學(xué)還原技術(shù)，Yao 等［16］開發(fā)了一種基于多孔聚丙烯酸鈉/石墨烯框架（PGF）的復(fù)合吸附材料，其可在寬相對(duì)濕度范圍內(nèi)主動(dòng)吸收霧霾環(huán)境中的水分，去除水中雜質(zhì)，并在太陽能驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生清潔水。擁有豐富官能團(tuán)的多孔聚丙烯酸鈉均勻分布于氧化石墨烯片表面，兩者以范德華力和氫鍵相互結(jié)合。在100%RH 時(shí)，PGF 水吸附量為5.20 g/g； 在15%RH 時(shí)， 水吸附量為0.14 g/g，雜質(zhì)去除率達(dá)97%。趙惠忠等［17］利用石墨烯與LiCl 合成復(fù)合吸附劑石墨烯?13XLiCl（13X 指鈉X 型硅鋁酸鹽的分子篩），發(fā)現(xiàn)添加石墨烯會(huì)增大吸附劑的比表面積、孔體積和孔徑，使吸附劑表現(xiàn)出優(yōu)越的吸水能力，同時(shí)石墨烯的高導(dǎo)熱性還能促進(jìn)吸附劑解吸脫水。復(fù)合吸附劑3G?MZ 在25 ℃ 和60%RH 下的吸附能力最強(qiáng)，對(duì)水蒸氣的吸附量最大為0.587 g/g，為13X 的2.7 倍，解吸量為0.5 g/g。盡管加入石墨烯能改善復(fù)合吸附劑的孔隙結(jié)構(gòu)特性，但其吸附性能未隨石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加進(jìn)一步提高。因?yàn)閷?duì)水蒸氣的吸附性能不僅取決于吸附劑的孔隙結(jié)構(gòu)，還取決于孔隙中鹽溶液對(duì)水分子的吸收。

4.1.3 硅膠

硅膠具有開放的多孔結(jié)構(gòu)，其納米級(jí)微孔結(jié)構(gòu)表面分布著大量羥基。羥基與空氣中的水分子產(chǎn)生親合力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水分子的高親和性吸附。Mulchandani 等［18］在硅膠表面應(yīng)用光熱納米材料以提供局部熱源，從而迅速提高吸附劑表面溫度以改善材料吸附動(dòng)力學(xué)特性，增加水蒸氣解吸量。該吸附劑分別在40%、60% 和80%RH 下吸附水，在1000 W/m² 太陽輻照度下進(jìn)行解吸。經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% 炭黑涂層修飾的硅膠在40%RH 下每天可完成超過10個(gè)吸附?解吸循環(huán)，每12 h 吸附劑的水吸附量為0.47 g/g，比裸硅膠吸附劑1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)產(chǎn)生的水量多10倍。Essa 等［19］在雙坡半圓柱形盆式太陽能蒸餾器上測(cè)試了一種新型高吸濕性硅膠干燥劑。該吸濕性硅膠的性能與橙色硅膠的類似， 在25 ℃ 和50%RH 下，吸濕性硅膠水吸附量為0.25 g/g。固相硅膠吸附劑材料可以在較寬的相對(duì)濕度（20% ～ 100%）和溫度（20 ～ 40 ℃）范圍內(nèi)吸附和濃縮水蒸氣。Kumar 等［20］采用商用橙色硅膠吸附劑在夜間吸水，次日將吸附劑暴露在太陽（平均輻照度為780 W/m²）下，每kg 吸附劑日產(chǎn)水量可達(dá)98g。在25 ℃ 和20% ～ 90%RH 下，橙色硅膠水吸附量為0.09 ～ 0.29 g/g。

4.1.4水凝膠

近年來，水凝膠逐漸在大氣集水研究領(lǐng)域受到研究人員的關(guān)注。水凝膠因其與應(yīng)用材料的高相容性，可用于改善吸附材料的機(jī)械性能、光熱性能和導(dǎo)熱性能。Li 等［21］以聚丙烯酰胺（PAM）構(gòu)筑水凝膠網(wǎng)絡(luò)，以碳納米管（CNT）作為光熱組分，制備了PAM?CNT?CaCl₂ 水凝膠復(fù)合吸水材料。在35%、60% 和80%RH下，吸附劑的水吸附量分別為0.74、1.10 和1.75 g/g，且在常規(guī)太陽輻照度下幾乎釋放了所有捕獲水。Entezari等［ 22］首次提出了二元聚合物鹽組合應(yīng)用的概念，將官能化碳納米管包埋在水凝膠結(jié)構(gòu)中以增加太陽光譜吸收量、光熱轉(zhuǎn)換系數(shù)并增強(qiáng)材料的機(jī)械柔性。二元聚合物鹽提升了材料的親水性，其多孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)了水蒸氣擴(kuò)散。這些特性使得復(fù)合材料Bina/FCNT 在25 ℃ 和70%RH 下水吸附量達(dá)5.60g/g。即便在低RH 下， 如25 ℃ 和20%RH 下，該復(fù)合材料的水吸附量依然可達(dá)1.40g/g，與昂貴的MOF材料吸附性能相當(dāng)。基于抗聚電解質(zhì)效應(yīng)，Lei 等［23］開發(fā)了聚兩性離子水凝膠PDMAPS?LiCl。該材料在30%RH 下120 min 內(nèi)水吸附量為0.66 g/g。Wang 等［24］開發(fā)了一種超高單位體積含水量和低溫驅(qū)動(dòng)的水凝膠基復(fù)合吸附劑（ PCLG）。該吸附劑在45 ℃ 和40%RH 下的水吸附量為2.55 g/g。與片狀結(jié)構(gòu)機(jī)組相比，蜂窩優(yōu)化結(jié)構(gòu)原型機(jī)組的吸水量提高了50% 以上。該裝置1 m² 吸附劑在潮濕條件（25 ℃ 和75%RH）下產(chǎn)水量為3.8 kg，在沙漠條件（ 30 ℃和30%RH） 下產(chǎn)水量為1.08 kg。在730 W/m²太陽輻照度下，該P(yáng)CLG 取水裝置在35 ℃ 冷凝溫度下1m² 吸附劑的日集水量為2.9L。該裝置在全球范圍內(nèi)單位面積（1m²）吸附劑集水量最高可達(dá)6L， 可見只需配置1～2m² 吸附劑的該裝置就能滿足沙漠地區(qū)一個(gè)成年人的日用水需求。

4.1.5 氣凝膠

氣凝膠作為一種良好的吸附材料，具有密度低、比表面積高、對(duì)各種污染物吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。Wang 等［25］設(shè)計(jì)了一種耐鹽性氧化石墨烯纖維素復(fù)合氣凝膠（GO?based 氣凝膠）。該材料具有數(shù)百μm 的大孔徑，可負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的CaCl2。該材料在40%、60%、80%、98%RH下的水吸附量分別為0.34、0.84、1.35、1.82 g/g。Hou 等［ 26］研究了一種多功能的氣凝膠纖維（LiCl@HGAFs）。該材料具有高比表面積和良好的吸水動(dòng)力學(xué)特性，可實(shí)現(xiàn)水吸附量4.15 g/g（90%RH 下）。且吸附劑可通過光熱和電熱方法再生，在加熱和冷卻模式下，性能系數(shù)分別為1.72 和0.70。隨著集水量的增加，LiCl@HGAFs表現(xiàn)出廣泛的微波吸收特性（帶寬為9.69 GHz），以及良好的阻抗匹配和高衰減常數(shù)（值為585）。多功能的LiCl@HGAFs 為水收集、熱分配和微波吸收等應(yīng)用開辟了一條新途徑。

4.1.6 金屬有機(jī)框架

MOF 是由金屬離子或簇與有機(jī)配體通過配位鍵組成的一種新型多孔吸附材料，具有孔隙率高（達(dá)90%）、比表面積大、易功能化等特點(diǎn)。在其制備過程中可同時(shí)優(yōu)化材料的穩(wěn)定性、親水性和孔徑參數(shù)，且在低相對(duì)濕度下該材料往往具有優(yōu)異的吸附性能。目前，世界各地的研究者已經(jīng)設(shè)計(jì)和合成了20000多種MOF［27］。由于MOF具有高吸附性能和靶向設(shè)計(jì)的潛力，它在跨學(xué)科應(yīng)用中展現(xiàn)出前所未有的廣闊前景。Kim 等［28］搭建以MOF?801材料為核心的空氣取水裝置。在25 ℃ 和20%RH 的干旱工況下該裝置水吸附量為0.25g/g。Hu等［ 29］以空心鉻基MOF材料MIL?101（Cr）為基礎(chǔ)合成了碳納米管修飾鉻基MOF 顆粒（HMC?2），并將其用于太陽能驅(qū)動(dòng)的大氣集水，結(jié)果表明HMC?2具有良好的水吸附性能和快速的解吸動(dòng)力學(xué)性能。蝕刻形成的分層多孔MIL?101（Cr）顆粒具有高活性的缺陷位點(diǎn)和低傳質(zhì)阻力，從而促進(jìn)了水分子的吸附和擴(kuò)散。HMC?2在25 ℃ 和90%RH 下最大水吸附量為1.074 g/g。在碳納米管和空心MIL?101（Cr）的協(xié)同作用下，HMC?2展現(xiàn)出良好的光熱轉(zhuǎn)換特性，從而提高了其解吸動(dòng)力學(xué)性能。在太陽光照射下，HMC?2的最大水吸附量可在90min內(nèi)完全解吸，材料的單次吸附?解吸周期為210 min。Abtab 等［30］為制備具有高孔隙率和高穩(wěn)定性的可調(diào)控多孔固體，研制出一種化學(xué)和水解性能穩(wěn)定的鉻基金屬有機(jī)框架（Cr?soc?MOF?1）。該材料具有特殊的孔隙率、極高的穩(wěn)定性和出色的吸附性能。在25 ℃ 和70%RH 下，該材料的水吸附量達(dá)到1.95 g/g，并在超過100次吸附?解吸循環(huán)中仍保持吸水率不變。鑒于介孔金屬有機(jī)框架具有優(yōu)異的水吸附性能，Rieth 等［31］評(píng)估了在沙漠地區(qū)Co₂Cl₂BTDD材料取水的潛力。通過調(diào)控材料的孔徑使其大于產(chǎn)生水的毛細(xì)作用時(shí)的臨界直徑，從而實(shí)現(xiàn)了材料在水吸附和脫附之間的可逆性。在夜間25℃ 和30%RH 下，該吸附劑水吸附量為0.82g/g。

4.1.7 改性沸石/多孔無機(jī)材料/多孔聚合物

沸石是一種具有孔隙結(jié)構(gòu)的固體晶體骨架材料。水分子進(jìn)入沸石后，會(huì)受到孔隙內(nèi)的正電荷的極化作用，并通過范德華力被吸附在孔隙內(nèi)。隨著吸附過程的進(jìn)行，水分子會(huì)逐漸被孔隙中的其他水分子吸附，直到孔隙內(nèi)充滿水分子。在30%RH 時(shí)，AlPO₄?34 和AlPO₄?LTA 沸石水吸附量分別為0.29 g/g 和0.38g/g［32］。Mittal 等［33］以PAM 超孔水凝膠（ SPHs） 和沸石（ AQSOA?Z02）為原料，制備了具有優(yōu)異吸水性能的高效固體吸附劑。在25 ℃ 和90%RH 下，利用沸石孔道毛細(xì)凝聚作用和親水性官能團(tuán)的吸附作用，可使吸附劑水吸附量從無沸石結(jié)構(gòu)下的0.77 g/g提高至0.89 g/g。Nguyen 等［34］制備了一種多孔、二維亞聯(lián)的共價(jià)有機(jī)框架材料（COF?432）。該材料具有中空的方形網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及優(yōu)良的抗水解性能，在低RH 下具有陡峭且無遲滯的吸水特性曲線。在25 ℃ 和34%RH 下，該材料的最大水吸附量達(dá)0.30g/g。

將光熱納米材料和LiCl 組合，可制備具有強(qiáng)親水多孔結(jié)構(gòu)的大型固體吸附劑，以實(shí)現(xiàn)快速集水。Li 等［35］開發(fā)了一種由納米碳空心膠囊和位于膠囊內(nèi)部的LiCl 組成的新型納米吸附劑（HCS?LiCl）。在25 ℃ 和60%RH下，該材料在3 h 內(nèi)水吸附量為1.0g/g，在1000W/m²太陽輻照度下僅0.5 h 即釋放出92%～100% 的吸附水。與純LiCl 相比，該材料的吸附動(dòng)力學(xué)性能顯著增強(qiáng)。該材料在低相對(duì)濕度（20%）下水吸附量為0.4 g/g，在高相對(duì)濕度（80%）下水吸附量大于2.0g/g。Wang 等［36］利用LiCl、納米纖維化纖維素親水骨架和石墨烯，開發(fā)出一種微米級(jí)和納米級(jí)通道互連的納米多孔雙層結(jié)構(gòu)吸濕氣凝膠（ NBHA）。在室外溫度為24 ℃ 和RH 分別為18%、33% 和42% 下，NBHA 的水吸附量分別為0.55、0.80和0.92g/g。在25 ℃ 和95%RH 的恒溫室中，該材料水吸附量可達(dá)2.23 g/g。NBHA具有高效儲(chǔ)水性能，即使在18%RH 下，也能快速吸收大氣水。通過MOF 前驅(qū)體熱轉(zhuǎn)化合成的納米多孔碳同樣具有高親水性，可在相對(duì)濕度小于等于80% 下捕獲水蒸氣的同時(shí)實(shí)現(xiàn)太陽能驅(qū)動(dòng)的快速解吸。Song 等［37］研究了一種高集水產(chǎn)率的MOF 衍生納米多孔碳，它具有快速的吸附動(dòng)力學(xué)性能和優(yōu)異的光熱性能。在25 ℃ 和40%RH 下，該材料水吸附量為0.252 g/g；即便在30%RH 下，該材料水吸附量仍為0.180g/g。

Li 等［38］采用多孔聚四氟乙烯薄膜封裝負(fù)載LiCl 的活性碳纖維氈，制備得到鋰膜封裝復(fù)合吸附劑（HMS?Li）。HMS?Li 是一種可擴(kuò)展、低成本、高性能的復(fù)合吸附劑，可配合便捷式大氣集水設(shè)備使用。Li 等［38］采用濕空氣狀態(tài)熱力學(xué)框架，利用吸附劑與冷凝器溫差大的特點(diǎn)，研制出中空保溫網(wǎng)結(jié)構(gòu)裝置，使取水裝置的產(chǎn)水率提高了20.5%。在30 ℃ 和70%RH 下，經(jīng)過12 h的吸附，HMS?Li 最大水吸附量達(dá)到2.59 g/g，高于未經(jīng)封膜的吸附劑HS?Li 的水吸附量2.20 g/g。在室外實(shí)驗(yàn)中該裝置單日單位質(zhì)量（1 kg）、單位太陽能照射面積（1m²）分別實(shí)現(xiàn)了34.8、1399.28g的水生產(chǎn)量。因此，采用可擴(kuò)展、高效的被動(dòng)式SAWH 設(shè)備并配合低成本、高性能的復(fù)合吸附劑，可在實(shí)際場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)低成本、高效取水的目的。

4.2 不同吸附劑的性能比較

通過調(diào)研將不同吸附劑的水吸附量和水脫附率分別列于表1 和表2 中。由表1 中可知，相對(duì)于其他材料，水凝膠材料在寬溫度、濕度范圍表現(xiàn)出更強(qiáng)的吸水性能。Entezari 等［22］研發(fā)的二元聚合物鹽水凝膠復(fù)合吸附劑Bina/FCNT，即便在20%RH 下，水吸附量仍能達(dá)到1.40g/g。在低相對(duì)濕度（≤40%）下MOF 材料和多孔復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)越的吸附性能，其中NBHA 納米多孔材料在18%RH 下水吸附量可達(dá)0.55 g/g。在中等相對(duì)濕度范圍（40% ～ 80%），除水凝膠材料外，活性炭材料和多孔復(fù)合材料也展現(xiàn)出優(yōu)越的吸水性能，其中M10LS 復(fù)合材料在70%RH下水吸附量達(dá)到2.29 g/g。相比之下，硅膠材料的吸水性能較差。在高相對(duì)濕度（≥80%）下，氣凝膠和納米多孔材料表現(xiàn)出優(yōu)異的吸水性能，其中LiCl@HGAFs 在90%RH 下的水吸附量高達(dá)4.15g/g。由表2中可見， 在水脫附過程中，MOF?801、HMC?2等MOF 材料更具優(yōu)勢(shì)，可將水脫附率提高至90% 以上。硅膠材料更適用于低溫脫附， 在43 ℃ 下其水脫附率可達(dá)92.5%。納米多孔材料和水凝膠也能在低溫下有效解吸水。活性炭和石墨烯材料在較高溫度（70 ～ 90 ℃）下展現(xiàn)出高水脫附率，其中M10LS材料在80℃下的水脫附率可達(dá)100%。

表3為典型吸水材料的類型、優(yōu)缺點(diǎn)和性能強(qiáng)化策略。石墨烯、活性炭、硅膠等作為基礎(chǔ)的多孔吸附劑，其吸附動(dòng)力學(xué)性能較差，因此可將其與另一種性能良好的材料組合制成復(fù)合材料，以提高其吸水性能。雖然水凝膠等吸濕性高分子吸附劑的吸水性能較好，但仍需通過共聚不同單體來增強(qiáng)其吸水性能，其中吸濕鹽在水凝膠吸附取水時(shí)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。MOF 材料展現(xiàn)出優(yōu)越的吸附?解吸能力，但MOF材料的高成本限制了其在大氣集水技術(shù)中的推廣應(yīng)用，后續(xù)研發(fā)重點(diǎn)將聚焦具有競(jìng)爭(zhēng)力的MOF 材料。對(duì)比各類復(fù)合吸附劑的特性和制備方法發(fā)現(xiàn)，高性能吸附材料均由性質(zhì)不同的吸附基質(zhì)、導(dǎo)熱材料和吸濕鹽耦合而成，從而最終達(dá)到強(qiáng)化復(fù)合吸附劑吸附性能的目的。

5 結(jié)語

太陽能驅(qū)動(dòng)吸附式集水技術(shù)是離網(wǎng)分布式供水的重要途徑，而高性能吸附劑是大氣集水技術(shù)的核心。本文闡述了典型吸水材料的吸附機(jī)理和特點(diǎn)，總結(jié)了在特定溫度、濕度條件下材料的吸附水和脫附水能力，系統(tǒng)地比較和評(píng)價(jià)了各吸附劑性能。目前，大氣集水技術(shù)在開發(fā)高性能吸附材料和提升集水循環(huán)性能方面取得了重大進(jìn)展。為促進(jìn)大氣集水技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用，未來仍須在以下幾個(gè)方面開展研究。

（1）在吸附水方面，MOF材料具有高比表面積和可調(diào)孔徑等優(yōu)勢(shì)，具有良好的吸附/脫附動(dòng)力學(xué)性能，但其合成工藝復(fù)雜、易受雜質(zhì)影響以及成本較高等因素均限制其應(yīng)用，未來可開發(fā)新合成方法和新配體，制備經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的MOF材料；水凝膠材料具有吸水性能良好、易于制備、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但吸水速率較低、易降解、無孔等因素制約其發(fā)展，通過單體聚合及原位孔隙制備等方法有望改善其吸附動(dòng)力學(xué)性能并提升制備效率；石墨烯、硅膠、氣凝膠、沸石等單一材料成本相對(duì)較低，但吸水性能有限，可與高性能材料組成復(fù)合材料，從而增強(qiáng)吸水性能。

（2）在脫附水方面，MOF 和硅膠材料展現(xiàn)出卓越的低溫解吸水性能，而活性炭和石墨烯材料必須在較高溫度下方能有效脫附水。可通過改性材料的表面官能團(tuán)，適當(dāng)減弱范德華作用力，以降低脫附溫度。

（3）在復(fù)雜多變的大氣集水環(huán)境下，單一吸附劑很難滿足應(yīng)用需求，常采用復(fù)合吸附劑以獲得優(yōu)異性能。根據(jù)不同集水地區(qū)的溫度、濕度特性，針對(duì)性地調(diào)控吸附基質(zhì)、導(dǎo)熱材料及吸濕鹽比例，從而達(dá)到強(qiáng)化復(fù)合吸附劑吸附性能的目的。

（4）為充分發(fā)掘復(fù)合吸附劑的應(yīng)用潛力，可開發(fā)如雙級(jí)大氣集水設(shè)備、膜封裝復(fù)合吸附劑大氣集水裝置等新型可擴(kuò)展設(shè)備，以增強(qiáng)吸附過程的傳熱傳質(zhì)效率，降低解吸和冷凝過程的能量損失。

未來優(yōu)化吸附材料的微觀結(jié)構(gòu)，改善吸附基質(zhì)的親水性，增強(qiáng)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，并研制高效益低成本的吸附?解吸裝置，是實(shí)現(xiàn)大氣集水技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)。太陽能驅(qū)動(dòng)吸附式集水技術(shù)正蓬勃發(fā)展，逐漸成為一種具有前景和潛力的選擇，并為緩解全球淡水短缺問題提供了可持續(xù)且可靠的技術(shù)方案。