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上海交大王如竹教授团队基于MOF空气取水成果，实现低品位余热驱动的连续空气取水

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近日，上海交通大学王如竹教授领衔的ITEWA团队联合中山大学张杰鹏教授团队在Applied Physics Reviews(《应用物理评论》)上发表了题为“Modular all-day continuous thermal-driven atmospheric water harvester with rotating adsorption strategy”的研究论文，报道了一整套“器件-运行策略-装置”的综合技术方案，实现了低品位余热驱动的连续空气取水。该论文被甄选为期刊亮点论文(Featured article)，同时该工作被美国物理学联合会主办的《科学之光》(Scilight)杂志以“Modular water harvester ensures continuous water production for arid regions”为题进行了专访报道。上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生邵昭与中山大学博士生王志烁为论文第一作者，王如竹教授为通讯作者，中山大学张杰鹏教授、周东东副教授为共同通讯作者。

由于工业化的进程与全球性的气候变化，目前全球仍有超过四十亿人面临着严峻的饮水危机。另一方面，大气中蕴藏着极为丰富的水蒸气，水含量大约相当于地球表面河流总量的6倍，如何大量且高效地提取出空气中的水蒸气并将其以液态水的方式收集成为了一个前沿问题。基于吸附式空气取水技术借助吸附剂实现低湿度下的水蒸气吸附以及低品位热源(如废热、太阳能)的脱附，最终可实现将大气中丰富的水蒸气转化为可直接饮用的液态水。虽然目前已有的研究初步展现了空气取水技术的可行性，然而目前研究中的运行策略普遍为基于太阳能光热驱动的单日单次的运行模式，这一模式没有充分利用MOF材料所具有的快速吸附动力学特性，造成了吸附剂性能浪费与成本的上升。同时这一运行模式也不符合“随时随地连续取水”的终极目标。

为此，研究人员提出了基于吸附-脱附动力学的优化后的运行策略以及配套纯被动冷却的示范装置，选择MOF材料Ni2Cl2(BTDD)作为演示所使用的吸附剂，其一维孔道具有丰富且亲水的开放金属位点，优异的水稳定性和水吸附性，能使其从众多MOF材料中脱颖而出。同时该吸附剂可在低湿度下保持较大的水蒸气吸附量，同时具有极小的回滞特性，十分有利于空气取水应用场景的需要。

针对该材料特性合作团队开发了可适应规模化应用的封装方案并设计了全新的运行策略。不同于常规单吸附模块的设计，该策略中使用了多吸附模块以实现装置的准连续运行，而吸附模块数量经过了吸附动力学与脱附动力学的匹配，类似“轮盘”的运行策略可以同时保证装置的连续运行以及吸附剂模块的充分吸附。在该研究中，基于此设计思路及拟合结果，研究人员最终采用了三块相同的吸附模块进行策略演示并据此设计了可突破日夜限制的低温位热能驱动的空气取水装置。

不同于以往研究普遍采用的制冷剂系统辅助的冷凝方案，研究人员基于对冷凝过程的分析开发了一种纯被动式冷凝的空气取水装置。该装置整体使用了快拆结构，可以更好地适应实际应用中的维护与携带。经过优化后的冷凝器被放置在加热腔体的上部，实现了水蒸气解吸与冷凝的有效分离，极大减小了冷凝负荷。在实际测试中，配合优选的高效吸附剂与所提出的高效运行策略，该装置在24小时共计12个循环的连续运行中实现了2.11 Lwater kgMOF−1 day−1高取水量。同时实验中充分验证了夜间取水的优势，借助夜间利于冷凝与吸附过程的低温高湿环境，装置在夜间取得了1.4 Lwater kgMOF−1 day−1的水生产量。

该研究依托材料科学、热科学、工程制造等多个领域的交叉合作，研究工作得到了国家重点研发计划项目，国家自然科学基金项目等项目的支持。

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