近日，上海交大王如竹教授領銜的ITEWA團隊在NatureCommunications發表題為Exceptionalwaterproductionyieldenabledbybatch-processedportablewaterharvesterinsemi-aridclimate的論文，通過分析目前空氣取水系統的優缺點及適用條件，從操作模式的角度彌合了吸附解吸動力學的差距，提出了新型“夜間批量吸附-日間逐個解吸”的批處理吸附-解吸模式。同時，根據高性能吸附劑以及取水系統的精心傳熱傳質設計，應用該模式的便攜式空氣取水系統，實現了中國蘭州半干旱氣候下（日間最低相對濕度15%）單日311.69g的高取水量。該論文第一作者是上海交大制冷與低溫工程研究所博士研究生山訸。

▲空氣取水裝置的開發及其結構和參數優化

吸附式空氣取水產量低，難以進行大規模和商業化利用，主要是因為受制于吸附材料在低濕度下有限的吸附量，粗糙的系統設計以及未經優化操作模式三個方面。文章采用氯化鋰鹽-水的熱力學相圖性質和線性驅動動力學模型，進行平衡吸附量和吸附動力學的預測和優化，開發了高性能氯化鋰復合吸附劑材料。同時，為了更準確地評估實際半干旱氣候中的實際吸附性能，文章表征了大片吸附劑（250x250x2mm）在典型半干旱氣候下的吸附與解吸性能，并比較了吸附和解吸的吸附動力學。作者發現，除了實際塊狀吸附劑相對于毫克級測試樣品的吸附性能的降低以外，水捕獲和釋放速率之間存在顯著的不匹配，解吸速率遠高于吸附速率。吸附的最大質量變化僅為解吸過程的最大變化量的1/10。為此作者設計了便攜式電加熱空氣取水系統進行傳熱傳質的優化，并采用熱柵格實現自然對流和輻射屏蔽，提高解吸和冷凝效率。

▲常用空氣取水操作模式（a）晝夜單循環；（b）連續式；（c）提出的批處理替換模式。

作者沒有采用常見的晝夜單循環(a)和單吸附劑吸附-解吸的連續式(b)操作模式，而是提出了一種獨特的批處理操作策略(c)：多片吸附劑在夜間同時暴露于高相對濕度的環境中以吸收水蒸氣，然后在白天交替批處理以釋放水，以充分利用夜間高相對濕度環境，同時在白天全天保持高解吸率。在實際設備操作中，這種操作策略要求吸濕材料和取水裝置的便攜性、適應性和穩定性。文章所采用的吸附劑具有擴大化生產，成本低且質量輕，穩定性好的特點，適合多塊吸附劑同時制作與攜帶，可快速部署到實際應用中，而便攜式和廉價的空氣取水裝置易被拆卸、重新組裝和由單人攜帶。這些特點都使得該模式的單日高產水量成為可能。

▲空氣取水器件在不同模擬氣候條件下的連續工作穩定性和取水量

該空氣取水裝置在半干旱氣候（中國甘肅蘭州）進行實際測試，當地實驗測試時最低相對濕度為15%。最終實現了單日311.69g(311.69/day)的取水量，能耗為0.695kWh（448.5mL/kWh），突破了百克級的單日產水量。從整個裝置水平來看，設備先進的熱設計、避免使用復雜的輔助設備（如風扇、冷凝器），以及充分利用解吸時間的批處理策略都共同貢獻于如此高的取水量。最終，體積為5.6升、重量為3.2千克的便攜式空氣取水裝置實現了超越百毫升的單日取水量，顯示了整個裝置在重量、空間和取水量方面的明顯優勢。在連續六日模擬蘭州春秋季節、冬季以及夏季工況下的循環穩定性測試中，該空氣取水裝置實現了穩定的取水量。

▲空氣取水裝置性能預測

為了全面評估產水潛力，作者選擇了全球干旱、半干旱和潮濕氣候等典型氣候地區，保守估計了每個氣候下的產水量。受到環境相對濕度的顯著影響，在英國伯明翰的濕潤氣候下可以實現超過1L/day的取水量，而在撒哈拉沙漠的干燥季節每日產水量僅約150mL。同時，預測表明除青藏高原、北非等地區外，在大多數地區，取水裝置的產水潛力超過350毫升/天。

吸附式空氣取水技術是近年來興起的在低濕度環境中獲取飲用水的新穎技術，對于干旱地區、離網地區和緊急條件下獲取飲用水具有重要的研究意義和應用價值。該工作有望為下一代空氣取水系統提供從材料、器件設計到模式創新三方面的思路。

王如竹教授領銜的ITEWA團隊近年來在Joule、Energy&EnvironmentalScience、AdvancedMaterial、Matter、NatureCommunications、ChemicalSocietyReviews等期刊上發表了30余篇交叉學科論文，該團隊致力于解決能源、水、空氣交叉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材料-器件-系統層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。