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上海理工/上海交大ITEWA EES:空气取水技术——关键指标和挑战

时间：2022-11-27 来源：浏览：

上海理工/上海交大ITEWA EES:空气取水技术——关键指标和挑战

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【内容简介】

近日，上海理工大学王佳韵联合上海交通大学ITEWA团队在能源环境顶级期刊 Energy & Environmental Science （I F:39.7 ）发表名为《 Atmospheric water harvesting: Critical Metrics and Challenges 》的Opinion论文。文章梳理了当前空气取水领域面临的障碍和技术挑战，总结了技术革新的关键指标，指出了从材料、装置、系统和策略等方面提升空气取水性能的技术路径，为构建了空气取水从理论到实践之间的桥梁。作者呼吁多学科、多领域共同协作，以实现技术创新和指标制定，为缓解全球淡水短缺问题提供高效灵活的分布式供水方案。该论文第一作者为上海理工大学能源与动力工程学院王佳韵，通讯作者为上海交通大学王如竹教授。

【主要内容】

1、研究背景

淡水短缺是目前全球最具挑战性的问题之一，预计到2050年会有高达60亿人面临缺水问题。空气取水技术可从大气中分离获取淡水，有望作为分布式水源，从而缓解全球缺水问题，极具应用潜力。当前涌现的空气取水技术可以总结为四大类：结露式、吸附式、膜分离以及雾捕集。结露式是将空气掠经冷表面达到露点，以实现液态水的分离；吸附式取水是通过吸附剂吸附-热驱动解吸-冷凝过程实现取水；膜分离取水式直接将水蒸气与空气分离后冷凝取水；而雾捕集是用捕雾网来直接收集雾滴。

近几年空气取水领域蓬勃发展，涌现了大量的前沿技术。然而，当前的空气取水技术深陷两大困境：（ 1）不同 AWH 技术之间的对比缺乏公平性；（2）AWH的技术研究方向和重点尚不明确。基于热力学理论计算不同取水技术所需的能量，是较为客观公平的对比思路，有望实现不同技术间的优势互补。除此之外，为早日实现高效、可持续的空气取水技术落地应用，学术界也应该达成共识、建立统一的性能评价体系，立足于当前空气取水技术面临的挑战和障碍，着力于开辟切实可行的工艺性能的提升途径。

2、技术总体评估标准

文章总结了六大评估基准：取水效率、取水量、水质、成本、可拓展性以及稳定性。这里面最重要的两个参数分别是取水效率和取水量。取水效率可分为三大指标：单位面积产水量、单位产水能耗以及大气回收率，前者适用于被动式AWH装置的比较，后两者更常用于主动式AWH装置的比较。而对于取水量和能耗而言，必须建立统一且严格的评价标准，不能含糊其辞。以吸附式空气取水装置为例，单位质量和单位体积的取水量，取水周期以及循环次数都应该明确列出，并且标注特定地区特定气候的运行条件。其他四个指标也与AWH技术的落地应用紧密相关。

3、空气取水面临的挑战

空气取水的工作流程包括分离和冷凝水蒸气。吸附和膜分离技术的瓶颈在于水蒸气和空气的高效分离，而露凝结和雾捕集的关键点在于实现水滴的高效冷凝与收集。技术优化应集中于材料优化、装置的传热传质优化以及系统部件之间的耦合等方面。

对于吸附式AWH技术而言，开发高效的吸附剂是关键。吸附剂材料层面的取水特性研究应包含平衡吸附量、解吸后残留量、阶跃位置、以及取水动力学速率。MOFs材料等温特性具有显著的阶跃点，表现出强烈的特定环境适用性。复合吸附剂取水特性偏线性，适用不同的环境，但同时存在液解的风险，应对方案主要有包膜法、减盐法等。此外，我们也应重视从吸附剂到吸附床的规模化应用所带来的性能衰减，吸附床的传热传质优化方法也较为重要。

膜分离式取水的性能提升关键是先进的膜材料，兼具薄，坚韧、柔软、耐用的优点，并能实现水分的快速扩散和定向传输。另外，分离泵的低效性极大限制了膜式取水的发展，提升泵的运行能效也是一个研究重点。

结露法取水的关键在于高效冷凝，当然这一点对所有AWH技术都很重要。高效的凝结过程包含液滴快速成核及去除，可从亲疏水材料这点切入，开展有关冷凝强化的相关研究。此外，辐射冷凝对于被动式取水机组至关重要，未来相关研究应聚焦于高效的辐射材料开发，以及辐射制冷与取水环境耦合运行等。雾捕集的技术瓶颈在于高效捕雾网的材料，以及雾水的高效输运收集。

高效AWHs技术应用的未来研究重点

4、总结与展望

总之，我们要从 1) 不同的AWH技术2 ) 同一技术下不同材料以及取水装置这两个层面开展深入研究，建立严谨可靠的分析预测模型，计算不同技术的性能并对比，从而优选出适用于不同地区气候的空气取水技术。温度和相对湿度是目前主流的工况参数，而两者综合后的函数诸如自由能、绝对湿度等也可以作为工况指标。另外焓湿图可以清晰的描述湿空气取水过程，应得到重视。此外，我们还应该结合材料/吸附床特性建立取水过程的仿真模型，从而优化取水系统的传热传质性能。

实现轻便、灵活、便宜、稳定以及高产的空气取水技术始终是产业化应用努力的方向。践行 “先进材料-传热传质优化-系统高效耦合运行 ”的体系化研究路线，将材料学、热力学、气象学、工程学等多学科交叉融合，携手共进，将更快更全面的推进空气取水技术革新，助力早日实现全球分布式供水，从而缓解全球淡水短缺问题，让希望之花在沙漠也能处处盛开。

【期刊介绍】

《 Energy & Environmental Science 》由英国皇家化学学会（RSC）出版社主办，在国际上享誉盛名，是RSC旗下世界公认的能源与环境科学领域的顶级期刊，在能源和环境科学领域400余份期刊中排名第一，2022年最新影响因子为39. 714。

【作者简介】

第一作者 -王佳韵，上海理工大学能源与动力工程学院讲师，曾作为王如竹教授带领的ITEWA团队成员之一，长期从事空气取水、新型能源材料开发应用、热力学系统热湿传递等方面的研究。获上海市“晨光学者”称号，主持国家青年基金、上海市青年科技英才扬帆计划等课题。先后在《能源环境科学》（ Energy & Environmental Science，IF=39.7）、《焦耳》（Joule，IF=46.2）、《自然通讯》（Nature communication，IF=17.7）、《细胞物理科学》（Cell reports physical science）、《STAR protocols》等期刊发表高水平学术论文,论文多次被Nature、Joule、E ES等期刊引用。

通讯作者 -王如竹，上海交通大学讲席教授，制冷与低温工程研究所所长，教育部太阳能发电及制冷工程中心主任。国家基金委创新群体负责人，荣获国际制冷学会最高学术奖 Gustav Lorentzen Medal、英国制冷学会J&E Hall Gold Medal、日本传热学会Nukiyama热科学纪念奖、国际能源署Rittinger国际热泵奖等国际重要学术奖励，主持成果获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖。2018年创立ITEWA学科创新交叉团队，致力于能源-水-空气与其它领域的学科交叉，3年多来在 Joule, EES, AM等学科交叉顶刊上发表论文40余篇。

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ee/d2ee03079a

https://doi.org/10.1039/D2EE03079A

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