研究背景

隨著全球性水危機(jī)日益嚴(yán)重，以吸附式空氣取水、海水淡化等為代表的水資源研究已經(jīng)成為備受關(guān)注的前沿研究領(lǐng)域。吸附式空氣取水借助高性能吸附劑實(shí)現(xiàn)對空氣中水蒸氣的高效捕捉，之后借助太陽能等低品位熱源實(shí)現(xiàn)對水蒸氣的釋放，所釋放的水蒸氣在局部空間內(nèi)營造了極高濕度的環(huán)境從而使水蒸氣在高于環(huán)境溫度的情況下冷凝從而實(shí)現(xiàn)大氣中氣態(tài)水向可飲用的液態(tài)水的轉(zhuǎn)化。這一技術(shù)具有廣泛的地區(qū)適用性，即便在干旱的沙漠中每立方米的空氣中往往仍有超過5g的水蒸汽可被利用，可能成為人類隨時(shí)隨地取水可行的技術(shù)方案。本研究基于實(shí)際使用需求，構(gòu)建了一種無需任何輔助裝置，借助太陽能光熱純被動(dòng)運(yùn)行的MOF空氣取水裝置。該裝置實(shí)現(xiàn)了模塊化的設(shè)計(jì)，裝置可以適應(yīng)未來的進(jìn)一步擴(kuò)展與個(gè)性化的定制從而實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的高效制水，使用者僅需根據(jù)使用場景確定所需的模塊數(shù)量就可以實(shí)現(xiàn)場景化的定制。經(jīng)過檢測所制得的水可滿足WHO對于直接飲用的離子濃度要求。該裝置實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化所必需的可拓展性要求，為MOF空氣取水這一革命性的技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

高效吸附劑篩選與大規(guī)模制備工藝

金屬有機(jī)框架（metal-organic framework，MOF）是一種多功能的晶態(tài)多孔材料，部分MOF材料已被證實(shí)具有有效的戶外取水性能（如MOF-801和MOF-303），但為了獲得更高的一次吸脫附循環(huán)的捕水量，亟需結(jié)合空氣取水實(shí)際需要挑選出低濕度下具有高水吸附量的材料，以及材料大規(guī)模制備的方案以適應(yīng)商業(yè)化規(guī)模使用的要求。

Ni₂Cl₂(BTDD)的一維孔道具有豐富且親水的開放金屬位點(diǎn)，優(yōu)異的水穩(wěn)定性和水吸附性能使其從眾多MOF材料中脫穎而出。本論文通過操作簡易的回流法實(shí)現(xiàn)了百克級(jí)Ni₂Cl₂(BTDD)的制備，并結(jié)合配體和金屬鹽的溶解特性，依次采用水、N,N-二甲基乙酰胺以及甲醇洗滌的操作進(jìn)行材料后處理以釋放孔道。相比于現(xiàn)有的擴(kuò)大化合成方案，回流法的生產(chǎn)成本縮減至79 CNY g^-1。

放大合成的Ni₂Cl₂(BTDD)材料在工況下（40% RH，30 ℃吸附；3.6% RH，80 ℃脫附）可快速實(shí)現(xiàn)水蒸氣吸附（~80 min）以及脫附再生（~10 min），水蒸氣百輪吸脫附循環(huán)測試后水吸附量僅衰減~2.5%，十分利于裝置的長期高效穩(wěn)定運(yùn)行，為后續(xù)的模塊化空氣取水裝置整合提供基本的材料保障。

高效模塊化裝置構(gòu)建以及實(shí)際測試

基于批量化合成的高性能吸附劑Ni₂Cl₂(BTDD)，該研究開發(fā)了一種可擴(kuò)展的模塊化高性能純被動(dòng)式太陽能空氣取水器。該研究中首先分析了空氣取水的熱需求：在吸附劑的解吸階段吸附劑側(cè)需要高解吸溫度以實(shí)現(xiàn)吸附劑中水蒸氣的釋放，而釋放出的水蒸氣則需要一個(gè)溫度盡可能低的冷凝面，這一技術(shù)路徑?jīng)Q定了在空氣取水裝置中的不同部位必然存在著相反的溫度需求。在過去的研究中為了展示空氣取水的可行性，研究人員通常使用電力驅(qū)動(dòng)的輔助裝置從上述兩個(gè)角度出發(fā)提升裝置性能，例如采用電加熱或聚光裝置提升熱源度以及利用電制冷裝置或空調(diào)降低冷凝溫度。這些研究展示了空氣取水技術(shù)的巨大潛力，但是大量輔助設(shè)施的應(yīng)用不利于商業(yè)化的推廣，同時(shí)現(xiàn)有研究大多基于較小尺度的展示，并沒有針對實(shí)際需求進(jìn)行模塊化的優(yōu)化。

基于此，本研究開發(fā)了一種可進(jìn)行模塊化放大的高效空氣取水裝置。根據(jù)裝置內(nèi)不同的熱需求，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了具備叉流雙層孔道結(jié)構(gòu)的隔熱傳質(zhì)板以減少高溫吸附劑側(cè)與低溫冷凝壁面?zhèn)鹊妮椛渑c對流換熱，從而實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)部溫度精準(zhǔn)分區(qū)。在高溫吸附劑側(cè)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了可規(guī)?；糯蟮哪K化吸附床，該吸附床由4cm*4cm的吸附模塊組成，內(nèi)部有高導(dǎo)熱的翅片輔助熱量傳遞。吸附床的封裝采用了透濕且無毒的PTFE薄膜，而光熱板則選用了高效的藍(lán)鈦涂層的薄膜。針對光熱面保溫難的問題，不同于現(xiàn)有單層透明蓋板保溫的結(jié)構(gòu)，研究人員探索了雙層透明蓋板隔熱保溫的策略，以犧牲部分透光率的代價(jià)提升了光熱板的保溫性能。經(jīng)過優(yōu)化后的裝置在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中（35 ℃，35%RH，1000W m^-2）體現(xiàn)了十分優(yōu)異的性能表現(xiàn)，光熱板熱源溫度達(dá)到97℃，冷凝面溫度與環(huán)境溫差僅5℃，同時(shí)內(nèi)部溫差在3.5cm緊湊腔體內(nèi)超過了60℃，實(shí)現(xiàn)了840.5 g m^–2的高取水量以及23 L m^–3的超高體積取水密度。

為了進(jìn)一步對裝置性能進(jìn)行檢驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)在上海、昆明等不同地點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)地測試，并對所得水樣進(jìn)行了水質(zhì)測試。在昆明干旱寒冷的冬季，該取水裝置在0.04 m²依然實(shí)現(xiàn)了22.6g的高水生產(chǎn)量且水樣離子濃度滿足WHO對于直接飲用的要求。

總結(jié)

總之，基于空氣取水商業(yè)化規(guī)?；卣沟膶?shí)際需求，本研究實(shí)現(xiàn)了一種綜合的MOF空氣取水器技術(shù)方案。針對MOF擴(kuò)大化制備難、裝置拓展難兩大難題，分別針對性地開發(fā)了整套高效MOF吸附劑Ni₂Cl₂(BTDD)回流合成方案以及模塊化且熱分區(qū)的空氣取水器。最終形成的樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了Ni₂Cl₂(BTDD)在裝置層面的首次應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了在裝置每平米僅使用不到四分之一重量吸附劑的情況下得到可媲美復(fù)雜雙級(jí)結(jié)構(gòu)取水器的840.5 g m^–2高取水量以及23 L m^–3的超高體積取水密度且無需額外輔助設(shè)備。之后的實(shí)地測試以及水質(zhì)測試均展示了這一技術(shù)路線的巨大潛力。這一研究表明，為了促進(jìn)科技走向?qū)嶋H應(yīng)用，基于技術(shù)原理針對商業(yè)化應(yīng)用場景對裝置進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化是必需而潛力巨大的。

Link：https://doi.org/10.1016/j.device.2023.100058