近日，制冷与低温工程研究所王如竹教授领衔的能源-空气-水ITEWA创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源材料领域期刊Nano Energy上发表了题目为“Exergy-efficient boundary and design guidelines for atmospheric water harvesters with nano-porous sorbents”的研究性论文。论文作者是博士生华凌佶、许嘉兴，通讯作者是王如竹教授。

能源与水是21世纪的重要议题，发展高效节能的取水技术至关重要。在众多取水方法中，空气取水技术因其不依赖于水源、适应性广和轻便洁净等特性而引起了国内外学者的普遍关注。利用蒸汽压缩式系统进行冷凝取水的技术，已经达到商业化水准，但在一些缺水的内陆地区，冷凝取水所需的露点温度很低，使得构造相应冷源的能耗居高不下。同时受到水冰点的限制，冷凝取水在空气露点低于零度的地区难以适用。另一方面，吸附剂具有丰富的纳米级孔道结构，可在高温下富集水蒸气，有效提高空气露点，解决冷凝取水技术的困境，适应干燥地区取水的需求。近年来，已有研究针对吸附取水技术进行了大量的材料创新和可行性验证，然而，两种取水技术的能耗水平及其各自的适用边界并没有被明确划分，从而导致不同研究的测试工况和能耗评价方法难以统一。

冷凝式和吸附式空气取水所采用的冷热源温度不同，为了评估和比较两个系统的能耗，论文引入“热力学火用”的概念，综合考虑热源或冷源的品位及换热量，计算构造上述冷热源所需的最小能耗（即“火用”），分别计算了不同气候条件、工质和运行参数下冷凝式和吸附式空气取水技术的能耗，对比得到吸附式技术的节能优势与适用范围，同时也指出不同运行条件下，吸附式空气取水技术的材料优选、系统与参数优化准则，为该技术的进一步发展提出切实有效的方案。吸附式空气取水不仅可适用于干旱地区，在除热带和亚热带沿海地区外的地区，使用吸附式空气取水技术的能耗普遍更低。具体来说，对比冷凝式空气取水，采用Co2Cl2(BTDD)这种在低湿条件下阶跃的新型吸附材料的吸附式空气取水系统，可在低湿，中温中湿和高温低湿工况下取得更高的能量利用效率。在非高温工况下，采用传统材料（如硅胶和MCM-41这种在高相对湿度下阶跃的材料）的吸附式系统适用范围更广，但其在沙漠区域并无优势。另外，对于吸附式空气取水来说，在大多数情况下，采用略低于室温的冷源驱动吸附，可大大降低解吸所需热源的品位，从而减少整个系统的能耗。在冷凝侧引入冷源也有一定的节能效果，但相较于吸附冷源不显著。所以，在冷源有限的情况下，可优先考虑在吸附侧引入冷源。

上海交大ITEWA交叉学科创新团队致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Angewandte Chemie-International Edition、ACS Central Science、Energy Storage Materials、ACS Materials Letter、Nano Energy 等国际期刊上发表系列跨学科交叉论文。 

【原文链接】https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521002354