为干旱世界解渴：紧凑型燃料动力大气集水器

随着全球人口的持续激增和气候变化对传统水源的破坏，对创新淡水生产方式的需求从未像现在这样迫切。全球有 40 多亿人生活在水资源紧张的地区，而且专家预测这一数字在未来几十年内还会继续增长。要应对这一巨大挑战，就必须采用分散、可靠的技术，即使在最干旱的气候条件下，也能从空气中提取水。

基于吸附的大气水收集（SAWH）装置是一种很有前景的解决方案。这些系统利用被称为吸附剂的多孔材料，通过循环吸附和解吸过程从空气中捕捉水蒸气。近年来，SAWH 技术取得了飞速发展，新型吸附剂材料和创新设备设计不断推陈出新。然而，在全球范围内广泛应用 SAWH 作为可行的淡水解决方案之前，仍面临着巨大的工程挑战。

犹他大学的研究人员直面这些挑战，开发出一种首创的 SAWH 原型，利用紧凑、快速循环和燃料驱动解吸技术，在较小的占地面积内实现了前所未有的产水量。他们的 "紧凑型快速循环燃料燃烧"（CRCF）装置在使 SAWH 成为现实方面迈出了重要一步，解决了阻碍这一前景广阔的技术广泛应用的关键限制。

追求紧凑型、高性能 SAWH
SAWH 设备的工作原理是吸附材料在吸附和解吸阶段循环使用。在吸附过程中，吸附材料吸收环境空气中的水蒸气。当吸附剂达到饱和状态时，吸附剂会被加热，释放出捕获的水，然后将其凝结成液态。这种循环过程可使 SAWH 系统持续不断地从空气中产生淡水。

虽然 SAWH 的基本概念简单明了，但事实证明，优化这些设备的性能和紧凑性却极具挑战性。一个关键指标是日产水量（P），即单位质量吸附材料的产水量。最大限度地提高 P 值对于最小化 SAWH 系统的尺寸和成本至关重要。另一个关键指标是容积生产率（Pv），它量化了吸附系统单位体积的日出水量。高 Pv 可使 SAWH 设备结构紧凑、节省空间。

最近的 SAWH 创新主要集中在开发具有高吸水性和快速吸附/解吸动力学的新型吸附材料上。金属有机框架（MOFs）是一种特别有前途的吸附剂，具有卓越的水捕捉能力。然而，仅有材料的进步是不够的--系统级工程在释放 SAWH 的全部潜力方面发挥着至关重要的作用。

"该研究的主要作者、犹他大学机械工程助理教授 Sameer Rao 解释说："当代的 SAWH 研究往往忽视了系统设计和集成的重要性。"要使 SAWH 成为一种实用的、可广泛部署的技术，实现 P 和 Pv 这两个生产率指标的高性能至关重要。

拉奥和他的团队认识到，要解决 SAWH 在系统层面上的挑战，需要一种全新的方法。他们的解决方案是 CRCF 设备，该设备解决了现有 SAWH 系统的两个主要局限性：依靠间歇性太阳能进行解吸，以及难以实现紧凑、高密度的制水。

为大气集水的未来加油
传统的大气集水装置通常使用太阳能或电力为解吸过程提供动力，在此过程中，捕获的水从吸附材料中释放出来。这种方法在阳光充足的并网地区效果良好，但也有很大的局限性。太阳能供电系统取决于日照时间和天气条件，而电力驱动系统则需要昂贵的储能装置才能持续运行。

拉奥和他的团队开发的 CRCF 原型采用了一种不同的方法，利用紧凑型燃烧热源驱动解吸过程。通过利用液体燃料的高能量密度，CRCF 设备可以独立于太阳或电网运行，实现全天候可靠制水。

"燃料驱动解吸技术改变了 SAWH 的游戏规则，"Rao 说。"它使我们能够将系统与间歇性能源脱钩，为实现真正自主的离网集水铺平道路"。

CRCF 设备具有一个定制设计的吸附剂热交换器 (AHX)，用于容纳吸附剂材料（在本例中为富马酸铝 MOF）。AHX 通过无源热管组件与燃料热源相连，可有效地将燃烧热量传递给吸附剂进行解吸。在吸附阶段，环境空气通过 AHX，使 MOF 能够捕获水蒸气。当吸附剂达到饱和状态时，热管会提供必要的热能来释放水，然后将其冷凝并收集起来。

与太阳能驱动系统相比，这种燃料驱动方法不仅能实现连续运行，还能使设备设计更加紧凑。"拉奥解释说："由于不需要笨重的太阳能电池板和储能装置，我们可以将 CRCF 设备封装在更小的空间内。"这对于实际部署来说是一个至关重要的优势，因为在实际部署中，空间和便携性往往是最重要的。

原型测试和性能优化
为验证 CRCF 概念并确定进一步改进的机会，研究人员进行了一系列室内和室外实验。首先在受控实验室环境中对原型进行了测试，测试结果表明，每公斤 MOF 的日产水量为 0.95 公斤，每立方米 AHX 的日产容积为 38.5 公斤。

随后，研究小组将 CRCF 设备带到室外，让它在犹他州盐湖城严酷干旱的条件下工作。在 25 个小时的时间里，原型机完成了五个连续的水收集循环，总共产生了 266 克液态水。虽然室外测试成绩略低于室内测试成绩，但考虑到严峻的环境条件，这仍然是一项重大成就。

"室外实验为了解 SAWH 的实际挑战提供了宝贵的见解，例如低温和湿度对吸附动力学的影响，"Rao 说。"这些经验对我们进一步优化 CRCF 设计至关重要"。

测试过程中发现的主要限制之一是水冷凝过程的效率。研究小组发现，解吸附的水蒸气中有很大一部分没有成功冷凝，从而降低了系统的总体产水量。这个问题是 SAWH 设备面临的共同挑战，因为不可冷凝气体（如空气）的存在会阻碍冷凝过程。

为了解决这个问题，研究人员探索了提高冷凝效率的策略，例如采用闭环空气循环系统。通过对解吸气流进行再循环，他们提高了冷凝率，改善了整体集水性能。

在这些实验见解的基础上，研究团队转向计算建模，以探索设计空间并确定进一步优化的机会。他们利用经过验证的模拟框架进行了参数研究，以了解关键设计变量（如吸附剂鳍片的厚度和吸附截断的程度）与系统的 P 和 Pv 指标之间的关系。

这项优化研究的结果令人印象深刻。通过仔细调整 AHX 的几何形状和循环模式，研究人员设计出了一种 CRCF 系统，该系统能够实现每千克 MOF 3.19 千克的日产水量和每立方米 AHX 718 千克的日产容积。与目前最先进的基于 MOF 的无制冷 SAWH 设备相比，这些数字分别提高了 1.53 倍和 2.13 倍。

"Rao 解释说："性能提升的关键在于我们能够快速循环吸附剂材料，并最大限度地提高单位体积的产水量。"CRCF 设计采用燃料驱动解吸和紧凑型热交换器，为优化这些关键参数提供了灵活性"。

扩大全球影响
犹他大学团队开发的 CRCF 原型不仅是一个概念验证，它还代表着向使 SAWH 成为解决全球缺水问题的可行方案迈出的重要一步。通过将创新的系统设计与高性能材料相结合，研究人员展示了这项技术尚未开发的潜力。

"拉奥说："CRCF 方法真正令人兴奋的地方在于其可扩展性和适应性。"AHX 设计的积木式性质意味着我们可以随时扩大系统规模，以满足从单个家庭到较大城市等各种规模社区的用水需求。

事实上，研究人员设想，未来基于 CRCF 的 SAWH 设备将部署到世界各地，即使在最干旱的地区也能可靠地获取淡水。通过将系统与太阳和电网解耦，这些以燃料为动力的收割机可能会改变离网社区和救灾工作的游戏规则，因为在这些地方，获取清洁水往往是一项严峻的挑战。

"拉奥说："归根结底，我们的目标是充分释放 SAWH 的潜力，使其成为最需要的人的现实。"CRCF原型是朝着这个方向迈出的重要一步，我们很高兴能继续推动大气集水技术的发展。

随着全球水危机的加剧，像 CRCF 设备这样的创新解决方案将成为全球干旱地区解渴的关键。通过利用大气中丰富的水蒸气并与间歇性能源脱钩，这些以燃料为动力的收割机有望提供可靠、分散的淡水获取途径--这是迈向更加可持续和公平的未来的重要一步。

参考文献

1. DOI：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102115

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