香港城大曹之胤团队ACS Nano综述: 基于吸附的大气集水系统中集水量和能源效率的提升方法——从材料、组件到系统层面

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-11-14 07:26

正文

01 导读

为应对全球水资源短缺及偏远地区面临的水运输困难等问题，基于吸附的大气集水系统因其提供可持续且分散式水源，并对气候和地理条件的低依赖性而在各种集水方法中持续受到关注。该系统旨在使用吸附剂从空气中获取水分，即使在干旱条件下仍可实现。其工作过程通常包括三个主要阶段：吸附阶段，水蒸气被吸附剂收集；脱附阶段，通过加热或其他方式释放捕获的水分；冷凝阶段，利用主动或被动方式将水蒸汽冷凝成液滴并有效收集。其中，集水量和能源效率是其最重要的两个评估指标。

图1: 常见的大气集水方法：雾气收集、露水收集及基于吸附的大气集水。

02 成果掠影

近日，香港城市大学能源及环境学院曹之胤教授和机械工程学系Steven Wang教授课题组在化学类国际顶级期刊《ACS Nano》发表题为“Enhancement of Water Productivity and Energy Efficiency in Sorption-based Atmospheric Water Harvesting Systems: From Material, Component to System Level”（DOI：10.1021/acsnano.4c09582）的综述性学术论文。香港城市大学能源及环境学院为第一单位，白晟熙博士为第一作者，姚晓雪博士为第二作者。该综述旨在从材料、组件和系统三个层面全面系统地总结和讨论基于吸附的大气集水系统中集水量和能源效率的提升方法。首先，材料层面涵盖不同吸附剂的特性、类别和吸附机制。其次，组件层面关注吸附床、脱附条件和冷凝器。第三，系统层面包括系统设计、操作和与其他机制的协同效应。此外，该综述还探讨了基于吸附的大气集水系统的应用及挑战，包括能量回收及转换、农业、除湿和热管理。

03综述概览

ToC：该综述的结构框架

图2: 理想的吸附剂应具备以下特性：在工作条件下具有较高的水蒸汽吸附能力，较低的脱附温度，较快的吸附速度和较好的长期循环稳定性。

表1：应用于大气集水的各类吸附剂的吸附机制比较

表3：从部件层面提升基于吸附的大气集水系统表现的方法总结

表4：从系统层面提升大气集水系统表现的方法总结

图16: 基于吸附的大气集水系统在不同领域的应用，包括能源回收与转换、农业、除湿和热管理。

04 总结与展望

该综述总结了有前景的集水量和能源效率的提升方法，并展望了未来的研究方向。材料层面：开发具有高水蒸汽吸附量、快速吸脱附动力、低再生能量要求且具有长期稳定性的复合吸附剂；组件层面：改善吸脱附床与冷凝器之间的热绝缘，利用可再生能源进行解吸，以及多级设计；系统层面：根据吸脱附时间选择所需吸附床的数量，应用旋转结构等设计实现系统的连续运行，或与其他机制协同作用，如珀尔帖效应或被动辐射冷却。总体而言，基于吸附的大气集水系统的应用越来越广泛，将对全球水资源、能源和可持续发展目标作出重要贡献。

图21: 提升基于吸附的大气集水系统中集水量和能源效率的方法总结。

通讯作者简介

曹之胤，香港城市大学能源及环境学院副院长（国际事务及拓展）、副教授及外展委员会主席，香港注册专业工程师、特许工程师、香港工程师学会会员、英国机械工程师学会会员、特许屋宇设备工程师学会会员和美国机械工程师学会会员。兼任Buildings (MDPI), Special Issue特邀编辑、Buildings (MDPI) 编辑委员会成员。自2020年以来连续入选斯坦福大学发布的「全球前2%顶尖科学家榜单」，并已发表90多篇期刊论文和40篇会议论文，其中包括《Science》、《Advanced Materials》、《Nature Communications》、《ACS Nano》、《Advanced Science》、《Advanced Functional Materials》等。值得一提的是，发表于《Science》上的研究成果引起了广泛关注，近40家本地和国际媒体对此进行了报导。

来源：高分子科学前沿

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