基于界面光热的空气取水设计与研究

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水是人类赖以生存和发展的重要基础资源。全球三分之二的人口每年至少有一个月生活在中度缺水的条件下。不仅如此,更有五亿人口全年面临着极度淡水缺乏。根据EPA(美国环境保护署)数据显示,全球的水资源总量约为1,386,000,000 km3,而淡水仅占其中的3%。而对于人类较为容易利用的淡水资源(河流水、淡水湖泊水以及浅层地下水)仅占世界淡水资源的0.3%,相当于全球总储水量的0.007%。值得注意的是,常常被人们忽略的大气中的水资源储量实际上十分可观,其含量之广足以满足每一个人类的需求。据估计,大气层含有超过12.9×1012 m3的可再生水,相当于八分之一的河流和湖泊淡水资源的总量。目前最常见的空气取水体系是基于传统的被动式水收集与主动式电驱动空气取水技术。该两种类型的技术受限于气候地理因素或需要消耗大量的电能而无法在世界大部分地区推广应用。因此,如何对大气水资源这个宝库进一步利用来满足人类对水资源的需求变得至关重要。于是,基于太阳能驱动的吸湿式空气取水技术应运而生。该类技术使用吸湿剂作为空气取水体系的基础,能应用于更广阔的场景,并且通过太阳能驱动整个体系的循环使用。基于这些特点,该种技术被视为具有极大应用价值且绿色环保的新兴发展目标。然而基于目前大量使用的间歇式液体吸湿空气取水体系中,由于液体吸湿剂自身的光热转化性能较差,常常在脱附过程中吸湿剂中的水不能充分蒸发脱附,从而出现较低的实际产水量。此外,间歇式的空气取水体系,其在夜间敞开并通过吸湿剂吸附空气中的水,在日间通过太阳光加热使水脱附并收集。由于该类体系其能收集到的水最终受限于夜间的吸水量,且在白天光照脱附时,随着吸湿剂中含水量不断下降,水脱附速率急剧降低,致使不充分的太阳能利用,进而导致水产量较低。因此,本工作设计了一种新型的连续扩散式空气取水装置,利用[EMIM][Ac]离子液体作为液体吸湿剂,结合界面加热技术增强液体吸湿剂中水的脱附性能。使得装置不仅能在夜间吸附大气水;在日间产生水的同时,也能不断的吸附空气中的水来维持吸湿剂中较高的水含量,进而使整体器件的最终水收集量与能量利用率得到大幅提高。在实验室内一个太阳的光照强度下,水脱附速度达到了约0.5L m-2 h-1,并且在18小时的长时间循环实验中,整个系统展示出极高稳定性。在户外实验一日的水收集总量高达2.8 L m-2。由于该体系对于大量的液体吸湿剂都具有普适性,因此希望该研究可以为液体吸湿剂基的空气取水技术的应用提供新的理解与发展思路。
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