王如竹教授團隊展望太陽能驅動連續式空氣取水

2022-07-08 15:22:34

近日,制冷與低溫工程研究所王如竹教授領銜的“能源-水-空氣” 交叉學科創新團隊ITEWA(Innovative Team for Energy, Water & Air)在能源環境領域期刊 Energy & Environmental Science發表題為 Sustainable water generation: Grand challenges in continuously atmospheric water harvesting的展望論文。該論文歸納了現有太陽能驅動的吸附式空氣取水系統和輻射冷卻空氣取水系統在材料和系統兩方面的發展及存在的技術瓶頸,強調了太陽能驅動連續式空氣取水的前景和可能性,展望了連續式空氣取水系統的發展方向,以期推動空氣取水實現產水效率和產量的跨越。本文第一作者為制冷與低溫研究所博士后Primo? Poredoš,通訊作者是王如竹教授。

捕捉空氣中的水蒸氣并形成液態可飲用水——空氣取水,已成為緩解水資源挑戰的重要途徑,尤其是對于干旱地區以及周邊沒有水資源的地區。通過制冷實現冷表面溫度低于空氣露點溫度的冷凝大氣集水往往能耗高,制水效率低。這種情況下利用多孔吸濕材料即使在低濕度下也可以有效吸附空氣中的水蒸氣,通過太陽能加熱可以實現吸附材料的解吸,形成的高分壓水蒸汽大大提升了露點溫度,可以在常溫下實現水蒸汽的冷凝集水。此外利用天空輻射冷卻材料可以實現表面溫度明顯下降,也可以在高濕度下冷凝水蒸氣。如何將以上兩種技術有機結合,利用大氣晚上溫度相對較低而相對濕度較高,白天太陽能充足以及超材料存在的太空輻射制冷,去構建全部依賴自然能源稟賦的連續式空氣取水系統是未來可持續發展中的一個重要挑戰。

論文從材料和系統兩個層面重點關注連續式空氣取水的未來發展和挑戰,給出了解決連續式空氣取水未來可能的發展方向。材料層面,作者發現以往的所有吸附材料都存在吸附速率和解吸速率間存在不匹配現象,目前報道的吸附劑中,吸附速率最高僅為解吸速率的1/4,很難滿足連續式系統所需的快速吸附解吸特性。因而,提高吸附動力學成為實現連續系統的關鍵難題之一。本文作者鼓勵采用先進材料表征及設計手段輔助改善吸附/解吸動力學,例如單晶XRD、多尺度計算方法、分子動力學模擬和密度泛函理論計算等。此外,作者認為研究與吸附劑相關的新機制也非常重要,即研究水分子、吸附劑和不同能量來源之間的相互作用。對于輻射冷卻材料來說,作者認為其性能主要決定于材料的光學性質。目前輻射冷卻材料仍然很難日間實現真正的亞環境溫度,因而開發反射率>0.99的輻射冷卻材料變得非常重要。其次,可以將輻射冷卻材料集成在斜面上,使其隨方向定向分布,將表面發射指向天頂方向,以增強總體輻射功率。

系統設計方面,對于吸附式取水系統,其設計應著眼于增加系統的緊湊性,并在系統水平上進一步平衡吸附與解吸速率的不匹配。作者分析了現有的分批輪換的連續性取水方式的總取水量和緊湊性的局限,提出通過吸附解吸面積的區別來匹配吸附和解吸動力學,以實現更高的取水量和取水效率,并提出采用各向異性熱導率以及定向孔隙結構的材料可以帶來額外的質量和能量效率。對于輻射冷卻系統的設計,作者認為應該專注于如何將輻射冷卻材料提供的冷卻能量集中,即在較小的面積實現集中的高冷卻功率以實現更低濕度下的冷凝。此外,還應特別注意輻射冷卻整體的熱管理,通過引入額外的輻射屏蔽層和隔熱層,部署額外的遮陽板以屏蔽太陽輻射等方式,可以減少環境熱量輸入,提高系統的整體冷卻性能。

作者提出了連續運行的空氣取水的前景展望。首先,吸附材料和輻射冷卻材料的性質還遠非理想,仍然需要設計具有均衡吸附/解吸動力學的吸附材料以及更高太陽輻射反射率的輻射冷卻材料。這兩者也可以實現材料水平上的整合,即吸附材料同時具有輻射冷卻效果。此外,面向規?;?、長期化利用,也需要強調材料的穩定性、環境友好性以及成本效益。其次,需要從工程熱物理學科的角度出發關注系統的效率和性能,可以采用局部集中加熱與冷卻、多級潛熱回收等方式實現系統效率以及緊湊性的提高。此外,長期以來空氣取水系統中夜間取水被忽略,主要是由于夜間不具備太陽能來驅動光熱解吸。因此,可以采用太陽能光伏及電池系統、光伏/光熱系統以及吸附儲熱系統等方式實現能量的高效儲存以及夜間利用,從而驅動吸附式空氣取水走向全天運行。

該研究工作得到了國家自然科學基金國際青年科學家研究基金、國家自然科學基金創新研究群體項目和上海市農業應用技術發展計劃項目的資助。王如竹教授領銜的ITEWA團隊近年來在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Matter、Angewandte Chemie、Nature Communication、ACS Central Science 等國際期刊上發表了系列高質量論文,團隊致力于解決能源、水、空氣交叉領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術,旨在通過學科交叉實現材料-器件-系統層面的整體解決方案,推動相關領域取得突破性進展。

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