近日，制冷與低溫工程研究所王如竹教授領(lǐng)銜的能源-空氣-水ITEWA創(chuàng)新團隊（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源材料領(lǐng)域期刊Nano Energy上發(fā)表了題目為“Exergy-efficient boundary and design guidelines for atmospheric water harvesters with nano-porous sorbents”的研究性論文。論文作者是博士生華凌佶、許嘉興，通訊作者是王如竹教授。
能源與水是21世紀的重要議題，發(fā)展高效節(jié)能的取水技術(shù)至關(guān)重要。在眾多取水方法中，空氣取水技術(shù)因其不依賴于水源、適應(yīng)性廣和輕便潔凈等特性而引起了國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。利用蒸汽壓縮式系統(tǒng)進行冷凝取水的技術(shù)，已經(jīng)達到商業(yè)化水準，但在一些缺水的內(nèi)陸地區(qū)，冷凝取水所需的露點溫度很低，使得構(gòu)造相應(yīng)冷源的能耗居高不下。同時受到水冰點的限制，冷凝取水在空氣露點低于零度的地區(qū)難以適用。另一方面，吸附劑具有豐富的納米級孔道結(jié)構(gòu)，可在高溫下富集水蒸氣，有效提高空氣露點，解決冷凝取水技術(shù)的困境，適應(yīng)干燥地區(qū)取水的需求。近年來，已有研究針對吸附取水技術(shù)進行了大量的材料創(chuàng)新和可行性驗證，然而，兩種取水技術(shù)的能耗水平及其各自的適用邊界并沒有被明確劃分，從而導(dǎo)致不同研究的測試工況和能耗評價方法難以統(tǒng)一。
冷凝式和吸附式空氣取水所采用的冷熱源溫度不同，為了評估和比較兩個系統(tǒng)的能耗，論文引入“熱力學(xué)火用”的概念，綜合考慮熱源或冷源的品位及換熱量，計算構(gòu)造上述冷熱源所需的最小能耗（即“火用”），分別計算了不同氣候條件、工質(zhì)和運行參數(shù)下冷凝式和吸附式空氣取水技術(shù)的能耗，對比得到吸附式技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢與適用范圍，同時也指出不同運行條件下，吸附式空氣取水技術(shù)的材料優(yōu)選、系統(tǒng)與參數(shù)優(yōu)化準則，為該技術(shù)的進一步發(fā)展提出切實有效的方案。吸附式空氣取水不僅可適用于干旱地區(qū)，在除熱帶和亞熱帶沿海地區(qū)外的地區(qū)，使用吸附式空氣取水技術(shù)的能耗普遍更低。具體來說，對比冷凝式空氣取水，采用Co2Cl2(BTDD)這種在低濕條件下階躍的新型吸附材料的吸附式空氣取水系統(tǒng)，可在低濕，中溫中濕和高溫低濕工況下取得更高的能量利用效率。在非高溫工況下，采用傳統(tǒng)材料（如硅膠和MCM-41這種在高相對濕度下階躍的材料）的吸附式系統(tǒng)適用范圍更廣，但其在沙漠區(qū)域并無優(yōu)勢。另外，對于吸附式空氣取水來說，在大多數(shù)情況下，采用略低于室溫的冷源驅(qū)動吸附，可大大降低解吸所需熱源的品位，從而減少整個系統(tǒng)的能耗。在冷凝側(cè)引入冷源也有一定的節(jié)能效果，但相較于吸附冷源不顯著。所以，在冷源有限的情況下，可優(yōu)先考慮在吸附側(cè)引入冷源。
上海交大ITEWA交叉學(xué)科創(chuàng)新團隊致力于解決能源、水、空氣領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進展。近年來在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Angewandte Chemie-International Edition、ACS Central Science、Energy Storage Materials、ACS Materials Letter、Nano Energy 等國際期刊上發(fā)表系列跨學(xué)科交叉論文。
【原文鏈接】https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521002354
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