【研究背景】

今年发布的《联合国世界水资源发展报告》明确指出，水资源压力和水资源短缺在许多地区普遍存在，并且在全球范围内呈上升趋势。据世界卫生组织统计，当前全球约有22亿人无法获得安全的饮用水。淡水资源短缺正成为人类社会可持续发展的威胁之一，如何确保人人安全获得饮用水仍然是一项全球性挑战。地球大气中含有1万亿升水，这些水以水蒸气和液滴的形式存在，可以通过自然水文循环不断补充。空气取水技术提供了一种很有前途的分散式取水方法，在众多空气水收获技术中，太阳能驱动的吸附基空气取水因其不依赖于环境条件，有望实现随时随地获取饮用水的愿景而备受青睐。近年来，吸附基空气取水技术在吸附材料开发和系统设计方面取得了显著进步，然而，距离实际应用还很遥远。吸附材料方面，吸湿盐LiCl具有最高的吸湿能力，但吸湿速率缓慢，液化易泄露，水凝胶具有强大的储水能力，但吸湿性不足。将吸湿性盐与水凝胶结合常常因盐析效应导致盐负载量偏低或发生盐偏聚、泄露而稳定性不足，且因体相内的扩散速率缓慢而吸湿动力学不足。系统运行方面，缺乏合理运行策略，导致太阳能利用率低，产水量不足。

近日，上海交通大学王如竹教授领衔的“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA在物理领域国际期刊《Applied Physics Reviews》上发表了题为“Daytime air–water harvesting based on super hygroscopic porous gels with simultaneous adsorption–desorption”的研究论文。团队通过非离子型表面活性剂羟丙甲基纤维素与氯化锂经物理发泡形成多孔吸湿凝胶，根据凝胶快速吸附/解吸的特点，提出了空气取水领域的“8020原则”，最后在“解吸腔”和“冷凝腔”并联式装配的原理样机上验证了实际取水性能，为日间低成本连续式空气取水提供了一种新的可行路径。制冷与低温工程研究所博士后香承杰和研究生杨辛格为论文第一作者，王如竹教授为通讯作者。

【文章解读】

空心微球多孔吸湿凝胶制备

为提升吸湿材料的吸附动力学，常常将吸湿材料加工成小微粒或者多孔结构，凝胶基吸湿材料以冷冻干燥为主。本研究开发了适宜规模化扩展的物理发泡法制备空心微球多孔吸湿凝胶的方法，所制备凝胶为直径约200μm的空心球，球壳表面为呈孔结构。微球分布范围窄，孔隙率高，为空气分子的自由扩散奠定了基础，由此预期所制备的凝胶具有快速的吸附解吸动力学。进而对所制备凝胶进行了成分分析和热分析。

图1 空心微球多孔吸湿凝胶制备与表征：A.结构示意图，B-E.扫描电子显微镜照片，F.μ-CT结构，G.孔径分布，H. XRD图谱，I. FTIR图谱，J.热分析。

空心微球多孔吸湿凝胶的吸湿特性

得益于空心微球多孔吸湿凝胶超高的盐含量，在15%和60% RH条件下吸湿容量高达1.18和2.86 g g^-1，高度接近LiCl的吸湿容量，证实了超高盐含量凝胶的可实现性。在此基础上，凝胶材料表现出快速的吸湿动力学，纳米氮化钛的局域表面等离子共振使凝胶具有良好的光热转换特性，即使在0.6个太阳的光照强度下 (600 W/m²)仍表现出较快的解吸动力学，保证了吸湿凝胶在低光照强度下的吸附水解吸。此外，吸湿凝胶具有良好的循环稳定性，在15个完全吸附解吸循环后，吸湿容量衰减也不超过3%。

图2 空心微球多孔吸湿凝胶的吸湿特性：A.等温吸附线，B.吸湿动力学，C.吸光度曲线，D.光热转换，E.1个太阳下的解吸动力学，F.不同光强下的解吸动力学，G.循环稳定性，H.吸附速率-含水量-时间关系，I. 解吸速率-含水量-时间关系。

原理样机设计与室内取水验证

为充分发挥吸湿凝胶快速吸附/解吸动力学的特性，本研究设计了解吸腔和冷凝器并联装配的取水原理样机，利用涡轮风扇将解吸腔的水蒸气牵引到冷凝器，在平面超滑疏水表面上实现了高效冷凝核快速液滴脱落。涡轮风扇即加速了吸附材料的蒸发解吸，又提高了水蒸气在冷凝器上的碰撞概率，耦合超滑疏水表面使得原理样机解吸水回收率达到90%以上。进而研究了原理样机的运行策略，结果发现空气取水领域中也存在“8020”原则，即吸附时只需达到饱和吸附容量的80%，解吸时可允许20%的残余水，在此区间内凝胶具有高吸附/解吸速率0.005 gg^-1 min^-1 to 0.15 gg^-1 min^-1，优化吸附/解吸切换周期后可实现同时吸附解吸，在25^oC，60%RH下，可实现4.39±0.24 g_waterg_sorbent-¹ day^-1的水收集率。

图3 原理样机设计与室内取水验证：A.原理样机示意图，B.疏水涂层效果，C.疏水涂层滴状冷凝，D.样机照片，E.涡轮风扇效果，F.疏水涂层效果，G.装置各部位温度记录，H.室内连续取水。

户外实际工况取水

在夏季和冬季的户外实验中，在~60% RH和~30% RH的户外条件下实现了3.82 L kg_sorbent^-1day^-1和2.98 L kg_sorbent^-1day^-1的高产水量，单位吸附剂质量和解吸面积的取水量均高于目前文献报道的太阳能空气取水装置。所取水的水质符合WHO规定的饮用水的标准要求。

图4 户外实际工况取水：A.环境工况，B.取水效果，C.连续7天取水结果，D.水质检测，E.与现有文献的比较。

【文章总结】

研究团队通在材料层面，过非离子型表面活性剂羟丙甲基纤维素与吸湿性盐氯化锂经物理发泡形成多孔吸湿凝胶，一方面解决了盐的泄露问题，另一方面提高了吸湿凝胶的吸附动力学。在装置层面，开发了解吸腔和冷凝腔分离的并联式结构，大大提高了冷凝水回收效率，实现了日间同时吸附解吸的连续式空气取水。在系统运行层面，提出了太阳能驱动的被动式空气取水运行的8020原则，最大化了太阳能和吸附材料的利用效率，实现了日间宽湿度工况下太阳能驱动的连续高效空气取水，材料吸附量高达6.4 kg_water·kg_sorbent^-1，装置单日取水量高达3.82L_waterkg_sorbent^-1day^-1 和1.93 L_waterm^-2day^-1。该工作阐明了材料结构设计、装置和系统运行策略对空气取水的重要意义，为实现规模化高效吸附式空气取水提供了新思路。

连续式空气取水“8020”运行原则。

王如竹教授领衔的能源-水-空气创新团队（ITEWA）长期致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础科学问题和关键技术挑战，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统多层面的突破，推动相关领域的高速发展。团队近年来在Science, Nature Review Materials, Nature Water, Joule, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Nature Communications, ACS Energy Letters，Applied Physics Review等国际高水平期刊上发表系列论文。

Chengjie Xiang, Xinge Yang, Fangfang Deng, Zhihui Chen, Ruzhu Wang. Daytime air–water harvesting based on super hygroscopic porous gels with simultaneous adsorption–desorption. Applied Physics Reviews, 2023; 10 (4) DOI: 10.1063/5.0160682

https://pubs.aip.org/aip/apr/article/10/4/041413/2925742/Daytime-air-water-harvesting-based-on-super?searchresult=1

本研究受到ScienceDaily、Science Times等多家国外知名学术媒体的关注和报道：

ScienceDaily: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/12/231205114829.htm

Science Times:

https://www.sciencetimes.com/articles/47502/20231206/solar-powered-atmospheric-water-harvesting-offers-hope-dryland-regions.htm

Knowridge:

https://knowridge.com/2023/12/scientists-find-way-to-harvest-water-from-air-with-solar-energy/

EurekAlert!: 

https://www.eurekalert.org/news-releases/1009760

TechXplore：

https://techxplore.com/news/2023-12-harvesting-air-solar-power.html

AIP Publishing: 

https://publishing.aip.org/publications/latest-content/harvesting-water-from-air-with-solar-power/    

Nanowerk News:

https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64188.php

Interesting Engineering:

https://interestingengineering.com/innovation/new-hydrogel-harvest-water-from-air

Life technology^TM:

https://www.lifetechnology.com/blogs/life-technology-technology-news/harvesting-water-from-air-with-solar-power