近日，上海交通大學王如竹教授領銜的“能源-水-空氣”交叉學科創(chuàng)新團隊ITEWA在物理領域國際期刊Applied Physics Reviews上發(fā)表了題為“Daytime air–water harvesting based on super hygroscopic porous gels with simultaneous adsorption–desorption”的研究論文。團隊通過非離子型表面活性劑羥丙甲基纖維素與氯化鋰經物理發(fā)泡形成多孔吸濕凝膠，提出了空氣取水領域的“8020原則”，在“解吸腔”和“冷凝腔”并聯(lián)式裝配的原理樣機上驗證了實際取水性能，為日間低成本連續(xù)式空氣取水提供了一種新的可行路徑。制冷與低溫工程研究所博士后香承杰和博士研究生楊辛格為論文第一作者，王如竹教授為通訊作者。
空氣取水技術是緩解淡水資源短缺的有效途徑。近年來，太陽能驅動的吸附式空氣取水技術因其高適應性和低成本等優(yōu)勢得到廣泛關注，有望在任何時間和地點生產符合安全飲水標準的清潔水。目前的研究開發(fā)了MOF、碳納米材料、水凝膠等眾多吸附材料，為了提高吸附材料的吸濕能力，無一例外地選擇了與吸濕鹽的復合，其中水凝膠因獨特的腫脹性能而具有良好的儲水能力，成為鹽負載的首選基質。然而，傳統(tǒng)水凝膠基質受到鹽析效應的影響，聚合物的水溶性因鹽的存在而降低。鹽析效應導致聚合物鏈聚集，抑制了水凝膠的腫脹，從而限制了它們的水轉移、水儲存能力，導致鹽偏聚、泄露，最終限制了水蒸氣的吸附能力。
連續(xù)式空氣取水“8020”運行原則
A-C.空心微球多孔吸濕凝膠，D-E.吸附/解吸動力學曲線，F(xiàn)解吸腔/冷凝腔串聯(lián)的空氣取水裝置
為此，研究團隊在材料層面通過非離子型表面活性劑羥丙甲基纖維素與吸濕性鹽氯化鋰經物理發(fā)泡形成多孔吸濕凝膠，一方面解決了鹽的泄露問題，另一方面提高了吸濕凝膠的吸附動力學性能。研究團隊在裝置層面開發(fā)了解吸腔和冷凝腔分離的并聯(lián)式結構，極大提高了冷凝水回收效率，實現(xiàn)了日間同時吸附解吸的連續(xù)式空氣取水。研究團隊在系統(tǒng)運行層面，提出了太陽能驅動的被動式空氣取水運行的“8020”原則，實現(xiàn)了太陽能和吸附材料的利用效率的最大化，實驗證明在日間寬濕度工況下太陽能驅動的連續(xù)高效空氣取水，材料吸附量高達6.4 kgwater·kgsorbent-1，裝置單日取水量高達3.82 Lwaterkgsorbent-1day-1和1.93 Lwaterm-2day-1。該工作闡明了材料結構設計、裝置和系統(tǒng)運行策略對空氣取水的重要意義，為實現(xiàn)規(guī)模化高效吸附式空氣取水提供了可行的新思路。
本研究還受到ScienceDaily、EurekAlert、AIP Publishing等多家國外知名學術媒體的關注和報道。
王如竹教授領銜的ITEWA（Innovation Team for Energy, Water & Air）交叉學科創(chuàng)新團隊致力于解決能源、水、空氣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(xiàn)從材料到系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。近年來在Science、Joule、Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Nature Water、Nature Communications等國際期刊上發(fā)表系列多學科交叉論文。
原文鏈接：https://pubs.aip.org/aip/apr/article/10/4/041413/2925742/Daytime-air-water-harvesting-based-on-super
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