空气取水装置的性能研究
空气冷凝取水技术的研究现状
空气冷凝取水技术的研究现状空气冷凝取水技术是利用大气中水分子含量较高的特点，通过低温冷凝技术将空气中的水分凝结成液态水，实现水资源的获取。
这项技术在干旱地区、缺水地区以及某些特殊环境中具有非常重要的意义。
随着科技的不断进步，空气冷凝取水技术也在不断改进和完善，其研究现状也日益丰富。
一、技术原理空气冷凝取水技术的原理是利用空气中水汽的凝结现象。
在大气中，空气中的水分子以气态存在，但当空气冷却到一定温度以下时，水分子会凝结成液态水。
通过控制冷却器的温度和湿度，可以将空气中的水汽凝结成液态水，进而获取水资源。
二、研究现状1. 材料和结构的改进目前，空气冷凝取水技术主要存在的问题之一是冷却器的材料和结构不够成熟，导致水汽凝结效率低、能耗高等问题。
研究人员致力于寻找更适合的材料，并优化冷却器的结构，以提高水汽凝结效率和降低能耗。
一些研究表明，采用特定纳米材料制成的冷却器能够显著提高水汽凝结效率。
这些纳米材料具有较大的比表面积和疏水性，能够更好地吸附水蒸气分子，使其凝结成水滴。
优化冷却器的结构，增加冷却面积，也能够提高水汽凝结效率。
2. 能源利用和产水效率的提升研究人员还关注空气冷凝取水技术的能源利用和产水效率问题。
为了降低能耗，一些研究者提出了利用太阳能等可再生能源作为冷却器的供能源。
通过太阳能驱动冷却器，可以实现零能耗或低能耗的空气冷凝取水系统。
提高产水效率也是研究的重点之一。
一些研究者通过优化风道设计和控制系统，提高了空气冷凝取水技术的产水效率。
利用新型的吸附剂和脱湿剂，也有望提高空气冷凝取水技术的产水效率。
3. 应用场景拓展除了在缺水地区应用外，空气冷凝取水技术的应用场景也在不断拓展。
近年来，一些研究者尝试将该技术应用于户外露营、野外救援等特殊环境中。
通过小型便携式的空气冷凝取水设备，可以为户外活动者和野外救援人员提供干净的饮用水。
空气冷凝取水技术还有望应用于建筑物的节能减排。
一些研究者提出，在建筑物的空调系统中嵌入空气冷凝取水技术，可以利用空调系统产生的废热和冷凝水，实现能源回收和水资源再利用。
MOF ：从干燥空气中捕捉水分
MOF ：从干燥空气中捕捉水分作者：肖优明来源：《检察风云》 2018年第5期大气淡水含量丰富目前，人类能够直接利用的淡水取自地下水、湖泊淡水和河床水。
干净的饮用水是人类最基本的必需品，然而现在却变得越来越稀缺。
美国期刊《科学进展》去年刊登的一份新研究报告称，全球超过40亿人每年有至少一个月面临水资源严重短缺问题，受波及的人数占世界总人口三分之二，表明全球水资源短缺情况比原先估计更为严重。
此前多个研究报告预测，全球受水源短缺影响的人口介于17亿至31亿。
随着人口不断增长与用水量上升，缺水危机势必会进一步恶化。
研究报告还提到，约有5亿人口的耗水量是他们居住地区全年降雨量的两倍，意味地下水水位急剧下降，大量人口的生存变得岌岌可危。
这项按月进行的新研究对人类居住地周围约50公里以内的水资源进行分析，涵盖1996年至2005的10年数据，凡是用水量为补充水源的两倍以上即定义为水资源严重短缺。
面对日趋严重的水资源短缺，为了解决淡水供应问题，人类提出了跨区域调水和海水淡化等方法。
但是无论从远处调水，还是淡化海水，成本都比较高，难以广泛使用，科学家转而寻找其他获取淡水的办法。
事实上，大气中水的含量约有13000万亿升，总量是世界上所有江河水量的6倍多。
其中大约2%作为降雨落到地面，剩余的98%依然处于水蒸气的状态。
如果能够有效地加以利用，将会为解决水资源提供有效的解决方案。
人们无法从一块石头中挤出水来，但是从干燥的空气中“拧”出水来却是可能的。
智利北部的阿塔卡马沙漠被认为是世界上最干旱的沙漠，那里的很多气象站从来没有过降雨记录。
不过当地的气象研究员找到了一种简单实用的方法来获取水资源，用若干张大网来收集雾水。
雾水在网上凝结成水珠，积少成多，收集到的水用于饮用和灌溉，让在沙漠中发展农业成为可能。
智利一所高校的水源研究中心认为，如果能够扩大这种雾水收集装置的规模，那么就有可能在更大程度上改变沙漠干旱的环境，有助扭转当地沙漠化的现象。
空气冷凝取水技术的研究现状
空气冷凝取水技术的研究现状1. 引言1.1 研究背景空气冷凝取水技术是指利用空气中的水蒸气通过冷凝器冷凝成液态水的技术。
随着人口增长和气候变化等问题的加剧，水资源日益紧缺成为世界性的难题。
开发和利用新型的水资源技术显得尤为重要。
在这样的背景下，研究空气冷凝取水技术的原理、应用、发展现状、优势以及存在的问题，对于加快新型水资源技术的发展，提高水资源利用效率，保障人类生活和生产的需求具有重要意义。
本文将对空气冷凝取水技术进行深入研究和探讨，希望能够为未来水资源领域的发展提供有益的参考和借鉴。
1.2 研究目的研究目的是通过对空气冷凝取水技术的深入研究和探讨，探索其在解决水资源短缺和改善生态环境方面的应用潜力。
具体目的包括：分析空气冷凝取水技术的工作原理和过程，了解其在取水过程中的优势和特点；探讨空气冷凝取水技术在各个领域的实际应用情况，包括工业、农业和日常生活等方面；了解空气冷凝取水技术在各个国家和地区的发展现状，以及未来的发展趋势；评估空气冷凝取水技术的优势和局限性，探讨其在实际应用中可能遇到的问题和挑战；最终旨在为推动空气冷凝取水技术的研究和应用提供参考和建议，促进其在解决全球水资源紧缺问题中的作用和意义。
2. 正文2.1 空气冷凝取水技术原理空气冷凝取水技术原理的核心是利用空气中的水蒸气通过冷凝器冷凝成水滴，从而实现水资源的有效利用。
其主要原理包括空气进入冷却器进行降温，使其中的水蒸气凝结成液态水，随后通过收集系统将凝结水收集起来。
这一过程实质上是一个物理过程，利用水蒸气的凝结特性实现水的分离和提取。
空气冷凝取水技术通常结合了温度差异和湿度差异来实现水的冷凝和收集，相比传统的供水方式，具有更大的灵活性和可持续性。
通过不断优化设备设计和改进工艺，空气冷凝取水技术已经逐渐成为一种具有潜力的新型水资源获取途径。
当前的研究方向主要集中在提高水的产量和提高能效，以及解决在不同气候条件下的适用性问题。
随着技术的不断进步和应用范围的拓展，空气冷凝取水技术有望成为未来水资源管理领域的重要补充方式。
大气集水技术
大气集水技术，也被称为AWH（Atmospheric Water Harvesting），是一种有前途的手段，用于克服干旱或半干旱地区缺水的问题，尤其是对于缺乏液态水源的内陆地区。
这种技术的核心是利用空气中的水蒸汽，通过冷凝或吸附的方式将其收集并转化为液态水。
1. 冷凝技术：这是大气集水技术中的一种方法，它利用各种制冷技术如蒸汽压缩循环、热电冷却和吸附/吸收冷却来冷凝水蒸汽。
2. 吸附技术：吸附式空气取水系统主要依赖于吸附剂材料来收集空气中的水蒸汽。
目前已开发的吸附剂主要分为四类：基于物理吸附的传统固体吸附剂；具有理想孔道结构的新型聚合物吸附剂；以吸湿盐为主的化学吸附剂；以及多孔基质与吸湿盐结合的复合吸附剂。
不同的吸附剂材料适用于不同的温湿度环境，因此需要根据材料本身的平衡吸附性能和动力学吸附解吸性能来确定其应用场景和适用装置结构。
现有的取水系统主要分为被动式的取水系统和主动式的多循环系统。
3. 其他技术：除了上述两种主要技术，还有其他一些技术和方法正在被研究和开发，以提高大气集水的效率和应用范围。
面向空气取水的金属有机框架(MOFs)_材料研究进展
DOI:10.7524/j.issn.0254-6108.2022082402魏源送, 吴其洋, 郑利兵. 面向空气取水的金属有机框架(MOFs)材料研究进展[J ]. 环境化学, 2024, 43（3）: 751-764.WEI Yuansong, WU Qiyang, ZHENG Libing. Research progress on metal-organic frameworks (MOFs) for atmosphere water harvesting [J ].Environmental Chemistry, 2024, 43 （3）: 751-764.面向空气取水的金属有机框架(MOFs)材料研究进展 *魏源送1,2,3 ** 吴其洋1,2,3 郑利兵1,2（1. 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，中国科学院生态环境研究中心，北京，100085；2. 中国科学院生态环境研究中心，水污染控制实验室，北京，100085；3. 中国科学院大学，资源与环境学院，北京，100049）摘 要 空气取水技术可为干旱地区获取淡水资源提供一种新途径，其中吸附式空气取水技术是当前研究的热点之一. 作为一种具有高比表面积、高孔隙率和功能可控的新型多孔材料，金属有机框架(metal-organic frameworks ，MOFs)材料在吸附式空气取水技术的研究中受到广泛关注. 因此，该文总结了空气取水技术的基本原理和方法，从材料的适用性能和应用尝试两方面阐述面向空气取水MOFs 材料的主要研究进展，并对其未来发展进行了展望.关键词 空气取水，金属有机框架，吸附.Research progress on metal-organic frameworks (MOFs) foratmosphere water harvestingWEI Yuansong 1,2,3 ** WU Qiyang 1,2,3 ZHENG Libing 1,2（1. State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, Research Center for Eco-EnvironmentalSciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100085, China ；2. Laboratory of Water Pollution Control Technology,Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100085, China ；3. Faculty ofResources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China ）Abstract Atmosphere water harvesting technology could provide a new possibility for effectively acquiring freshwater resources in arid areas, and the adsorption-based atmosphere water harvester is a hotspot in this field. As a new porous material with high specific surface area, high porosity, and functional controllability, metal-organic frameworks (MOFs) have attracted widespread attention in adsorption-based atmosphere water harvesters. Therefore, this study summarizes the basic principles and methods of atmospheric water harvesting technology, reviews the main research progress of MOFs materials for atmosphere water harvesters from its two aspects of applicable properties and application trial, and outlooks the future development of MOFs.Keywords atmospheric water harvester ，metal-organic frameworks ，adsorption.2030年前确保全球范围内实现人人都能获得安全和负担得起的饮用水，是联合国可持续发展目标（Sustainable Development Goals, SDGs ）中第六项“清洁饮用水和卫生设施”（SDG6）的主要内容之一.现今水污染形势日益严峻，可供人们直接利用的液态水源均存在不同程度的污染，全球约有22亿人的2022 年 8 月 24 日 收稿（Received ：August 24，2022）．* 国家自然科学基金(52270081)和中国科学院生态环境研究中心实验室发展基金(RCEES-LDF-2019-01)资助.Supported by the National Natural Science Foundation of China (52270081) and Laboratory Development Fund of Ecological Environment Research Center, Chinese Academy of Sciences(RCEES-LDF-2019-01).* * 通信联系人 Corresponding author ，Tel ：************，E-mail ：**************.cn日常饮用水无法得到安全保障[1]，预计到21世纪中期甚至将有近5亿人常年面临严重的淡水资源短缺问题[2]. 基于KIM模型[3]，谷歌公司与世界卫生组织、联合国儿童基金委员会的共同研究表明，不同于海水淡化技术的高费用低回报和技术的区域性限制，空气取水技术没有地域限制，能经济有效地在全球范围内提供液态水源，同时不会对全球水生态水循环造成较大影响[4]. 以我国西北部干旱地区为例，1960—2015年间，区域内平均相对湿度达50.34%[5]，当夜晚温度为15 ℃时，空气中水分子含量约为6.4 g·m−3. 空气中丰富的水资源（总量约12.9万亿吨）保证了空气取水技术能为干旱少雨地区、灾害重建地区和军队野外行动有效提供液态水源.为有效实现空气取水，基于吸附材料的吸附式空气取水技术是当前领域的研究热点，金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）材料因其优异的水吸附性能和循环特性受到了广泛关注. 21世纪初，Yaghi课题组首次了报道MOF-5材料的合成[6]，并用二级结构单元（Second Building Unit, SBU）多金属簇理论成功解释MOFs材料的合成，为可控合成MOFs材料指明了方向；之后软硬酸碱理论（Hard-Soft-Acid-Base, HASB）的成功应用则为水稳定性MOFs材料的制备提供了理论基础[7],，极大拓宽了MOFs材料的应用性能. MOFs材料因具有高比表面积、高孔隙率和功能高度可控等优异特性，逐渐从水吸附性能表征拓展到空气取水实际应用[8]. 2012年，Seo等[9]率先以铁基MIL-100（Fe）和铬基MIL-101（Cr）两类MOFs材料为基础进行水吸附实验，结果表明MOFs材料在空气除湿和淡水获取领域具有极大的应用前景. 近年来以Yaghi课题组为代表的研究人员以MOF-303（Al） [10]、MOF-801（Zr） [11]、MIL-160（Al）[12]和PC-MOF（Cr）[13]等材料为研究对象，对MOFs吸附材料进行了一系列空气取水技术和装置的试验研究，包括在沙漠等干旱低湿地区的现场试验，充分证实了基于MOFs材料空气取水潜力. 与传统吸附材料相比，基于MOFs材料的吸附式空气取水装置不仅可在环境湿度较低时仍能稳定持续地从空气中获取水分，而且MOFs材料因其稳定的框架结构可作为传统吸湿盐的良好载体，抑制吸湿盐的潮解问题，增强复合材料的水吸附性能以满足实际环境的工作需求.本文通过梳理近年来面向空气取水的MOFs材料研究现状，简述空气取水的基本原理和方法，总结MOFs材料的主要发展历程、研究和应用进展，并结合实际需求对面向空气取水的MOFs材料未来发展进行展望.1空气取水技术简介（Brief of atmosphere water harvesting technology ）1.1 基本原理大气中水分子主要以液态（如雾滴和露水）和气态两种方式存在，当环境中水蒸气分压达到饱和或超出饱和时，空气中水分子会在凝结核上凝结成云滴或冰晶[14]. 空气取水技术是通过外部作用，如降低环境温度或增加水分子总量，在一定区域环境内使空气相对湿度（relative humidity, RH）趋近或大于100%，液化空气中水分子以达到空气取水目的[15].1.2 基本方法基于空气取水原理，目前空气取水技术的基本方法主要分为3种，如表1所示. 1）自然聚雾法直接收集空气中已存在的雾滴或露水[16]；2）冷凝集露法基于表面冷却技术在装置表面收集空气中的水分子[17]；3） 吸附-解吸法基于吸附材料富集空气中的水分子，在冷凝管中实现水分子收集[17].表 1 空气取水技术主要方法Table 1 The main method of Atmosphere water harvester主要方法Main method主要类别Main category工作特性Operating characteristics自然聚雾法网状装置[16]气候条件决定取水性能冷凝集露法主动冷凝[24]外部供能决定装置运行辐射冷却[25]无需外部供能可自动工作吸附解吸法吸湿盐[32]吸附性能好但存在潮解泄漏危险水凝胶[35]吸附性能好但相对湿度要求较高MOFs[7]吸附性能好且相对湿度要求较低752环 境 化 学43 卷3 期魏源送等：面向空气取水的金属有机框架(MOFs)材料研究进展7531.2.1 自然聚雾法自然聚雾法主要是利用网状装置收集空气中的雾滴和露珠 [16]. 在秘鲁，Lummerich等比较了5种形状各异且材料不同的雾收集装置，基于拉舍尔面料（Raschel）的“埃菲尔”状雾收集器（Eiffel Fog Collectors）的实际运行效果最好[18]. 在雾收集装置的基础上，Park等的研究表明，控制装置的网格大小、增加装置的阴影面积，可有效提高装置的雾收集效率[19]；将材料由单根铜丝替换成具有纳米疏水和超亲水特性的三维铜丝，能有效减少网状装置在雾收集过程中的堵塞和液滴脱落问题，雾滴传输效率提高了20%以上 [20]. Feng等基于仿生技术，制备了光滑的超亲水表面的雾自动收集装置（nephrolepis auriculata-inspired patterned surface, NAIPS），该装置取水效率可达（519.84±17.04） g·m−2·d−1，较常规均质光滑表面雾收集装置提高了139%[21]. 由于应用场景和工作条件的限制，雾收集装置只能在常年潮湿多雾地区实现高效率取水，并不能满足大部分地区的空气取水要求.1.2.2 冷凝集露法冷凝集露法是通过将装置表面温度降低至环境露点以下，收集冷凝液化的水分子[22]. 以一个多山岛屿（Punaauia, Tahiti Island）和一个环礁（Tikehau, Tuamotu Archipelago）为例，Clus等[23]评估了在潮湿热带地区的旱季露水作为饮用水源的潜力，发现旱季岛屿的露水量相当于降水量的两倍，具有极大的开发潜力. 根据冷凝驱动力的不同来源，冷凝方法分为主动冷凝和被动冷凝. 主动冷凝是依靠外部能源输入，通过蒸汽压缩或者基于珀耳帖效应（Peltier effect）[24]的热电转化设备进行可控的空气制冷；被动冷凝（又称辐射冷却）无需外部能源输入，通过材料选择使装置的整体辐射能量大于吸收热量，进而自动降低其表面温度[25]. 研究表明，多层辐射冷却装置较单层装置能有效减少其工作过程中的热损失[26 − 27]，通过将辐射冷却与超疏水冷凝采集器协同运行，露水采集量高达1200 g·m−2·d−1[28]. 然而，目前该方法的实际应用大多限于露点温度与环境温度相差较小的温暖潮湿地区[29]，需进一步开发适于露点温度与环境温度差值较大情形的取水装置，以满足当地群众或沙漠绿化的用水需求将是未来的研究重点.1.2.3 吸附-解吸法吸附解吸法是通过吸附材料充分吸附空气中的水分子，待吸附饱和后依靠外部能源输入（如太阳能）实现吸附材料中水分子的解吸，释放的水分子通过冷凝管完成液化收集[30 − 31]（图1）.图 1 基于太阳能的吸附式空气取水装置工作示意图[31]Fig.1 Schematic diagram of the adsorption-atmosphere water harvester based on solar energy[31]吸附材料决定了吸附式空气取水装置的理论效率[30]. 赵亚等的研究表明，以无水氯化钙为代表的吸湿盐材料的水吸附效率与容量均较为突出[32]，将吸湿盐与硅胶[33]、活性炭纤维[34]等进行复合可明显提升材料的水吸附性能，但吸湿盐遇水易潮解泄漏的问题并未得到解决，这极大限制了其实际应用潜力. 水凝胶材料的水吸附容量高且结构稳定性好[35]，Shi等将一种新型分层三维微结构水凝胶材料应用于汽态雾滴收集，户外测试结果表明产水量达到了34 L·m−2·d−1，但水凝胶对其水吸附过程中环境相对湿度的要求较高[36]，大都要求70%以上的相对湿度. MOFs吸附材料的结构可控且水吸附性能较好[7]，Hyunho等[11]进行MOF-801（Zr）材料的模拟计算，结果显示仅依靠太阳能供能，其产水量可达2.8 L·kg−1·d−1；Yaghi课题组[10]报道的MOF-303（Al）材料，不仅能在白天持续工作实现多次集水循环，而且在莫哈韦沙漠（The Mojave Desert, Northern America）相对湿度低至10%的极端条件下其产水量仍能达到0.7 L·kg−1·d−1. 上述研究结果充分说明基于MOFs吸附材料的空气取水技术在低湿度环境下具有巨大的应用潜力. 考虑到我国先进的光伏发电技术及其发展态势，通过技术集成，基于MOFs材料的空气取水技术不仅完全有可能实现能量自给[37]实现自动化运行，而且能赋予光伏发电技术新的生态环境效益.2面向空气取水的MOFs材料（MOFs for atmosphere water harvesting）2.1 MOFs材料简介MOFs材料是指金属离子和有机配体通过化学键配位作用实现自组装连接的周期性三维网状结构[38]，自Yaghi基于多元金属簇理论的二级结构单元（SBU）概念成功解释MOF-5[39]的合成后，水稳定性MOFs材料的选择合成愈益受到关注[40]. 软硬酸碱理论的成功应用则为金属源和有机配体的选择提供了理论支撑[7]， 以溶剂热法[41 − 42]、微波辅助加热[43]、电化学法[44]和机械化学法[45]等为主的合成方法为MOFs材料研发提供了简便制备途径，并形成多种MOFs系列材料，表2列举了部分MOFs系列材料名称及相关信息. 以2022年5月在Web of Science 核心数据库的数据为例，对MOF和 application所有字段进行搜索，VOSviewer软件[46]的关键词共性分析结果表明，吸附性能是当前MOFs材料研究的主要方向，而其吸附性能也是吸附式空气取水装置的关键.表 2 MOFs系列材料Table 2 The series of MOFs materials系列名称Name代表性材料Representative materials金属离子Metal ions有机配体Organic ligands首发单位Inventive institution主要应用领域Main applicationsIRMOF IRMOF-1[39]Zn2+等对苯二甲酸等美国Yaghi课题组氢气吸附ZIF ZIF-100[47]Zn2＋、Co2＋等咪唑等美国Yaghi课题组CO2储存MIL MIL-53[48]Al3＋、Cr3＋、Fe3＋等对苯二甲酸等法国Ferey课题组甲醇吸附CPL CPL-1[49]Cu2+等吡嗪等日本Kitagawa研究组甲烷吸附UiO UiO-66[50]Zr4+等对苯二甲酸等挪威奥斯陆大学反应催化PCN PCN-9[51]Cu2+等三嗪等美国迈阿密大学吸附分离HKUST HKUST-1[52]Cu2+等间苯三甲酸等香港科技大学CO2吸附2.2 面向空气取水的MOFs材料同样以2022年05月份数据为例，在Web of Science 核心数据库以water harvesting、water harvester、AWH和AWG所有字段进行搜索并采用VOSviewer软件[41]进行关键词共性分析，如图2所示，结果主要分为4部分，water harvesting 与metal-organic frameworks二者占据其中两部分的中心位置，且二者与adsorption和atmosphere water harvesting两节点均存在较大的共性关系，这表明基于MOFs吸附材料的空气取水技术已受到广泛关注. 对于吸附式空气取水装置，吸附材料需满足水热稳定性好、水吸附容量高、解吸温度低、吸附-解吸过程迅速和循环特性好等特性[53]. 研究表明，MOFs材料因其优异的水热稳定性、超高的比表面积孔隙率和快速的吸附动力学不仅可满足空气取水的应用需求[54]，而且其功能可控性能够实现在不同环境条件下定向合成适宜的吸附材料[55].如上所述，二级结构单元（SBU）的引入和软硬酸碱理论（HSAB）的应用为水稳定性MOFs材料合成指明了方向. 现今常用的羧酸盐有机配体（对苯二甲酸、反丁烯二酸、吡唑二羧酸等）去质子化后可被视为硬碱，而高价金属离子（Cr3+、Fe3+、Al3+、Zr4+、Ti4+等）是硬酸，自组装过程中，金属离子会率先形成SBU结构（如Zn4O、Zr6O8等），然后与有机配体通过强作用键连接形成水稳定性MOF材料；同时，亲水性好的羧酸盐有机配体利于实现水分子的选择性吸附，金属位点的不饱和性与材料的多孔特性能给予水分子充分的吸附位点，促进水分子的吸附[7]. 此外，Yaghi提出的网状化学（Reticular Chemistry）理论[56 − 57]，能在确保MOFs材料整体结构稳定性的同时实现多元官能团的掺杂和金属置换的设计合成，从而将不同类型官能团和金属离子稳定结合到MOFs结构中，实现MOFs材料性能的精准调控.754环 境 化 学43 卷图 2 空气取水装置相关文献关键词的共性关系Fig.2 Common relationships of keywords in the literature related to atmosphere water harvester2.2.1 MOFs 材料的适用性能在水分子吸附过程中，MOFs 材料通过SBU 结构中多元金属簇和有机配体之间的强作用力键维持材料整体结构的稳定[58]，水分子则通过与有机配体和不饱和金属位点的结合在材料孔隙表面实现物理吸附和化学吸附[53,59]（图3），MOFs 多孔材料同时也会发生毛细管冷凝以促进水分子的进一步吸附[60].基于化学吸附和毛细管冷凝储存的水分子在解吸过程中往往需要更大的能量输入[61 − 62]，因此，为减少解吸过程的能量输入，增强水分子的物理吸附（如亲水性官能团的掺杂）、控制开放金属位点比例和孔隙结构是平衡材料稳定结构和优异性能的重要方法. 同时，MOFs 材料巨大的比表面积和超高的孔隙率[63]为水分子提供了足够的吸附位点和存储空间. 已有研究表明，环境相对湿度较低时，材料水吸附容量主要由MOFs 材料的比表面积决定；而环境相对湿度较高时，其则由材料的孔隙率和总容积控制[64].图 3 水分子吸附机理：物理吸附（a ）、化学吸附（b ）[53]Fig.3 Adsorption mechanism of water molecules: Physical adsorption （a ）, chemical adsorption （b ） [53]2021年10月，Yaghi 课题组通过单晶衍射和密度函数理论 （density functional theory, DFT ）模拟成功证明了MOF-303（Al ）在水分子吸附过程中，首个水分子吸附位点是在材料骨架内的吡唑之间，水分子通过与两个吡唑基团和一个u 2-OH 基团形成3个氢键实现吸附 [65]，这充分说明有机配体的选择对水分子吸附过程具有重要作用. 亲水性有机配体能有效增强材料对水分子的选择性吸附[66]，以MIL-101（Cr ）为例，材料内部的水传输动力学强烈依赖于自身独特的孔结构和亲水性空间分布特征[67]，选择适宜的亲水性官能团（如氨基：—NH 2[66]）对材料结构进行修饰优化，可调控MOFs 材料的水吸附性能以适应不同的应用环境[68 − 69].3 期魏源送等：面向空气取水的金属有机框架(MOFs)材料研究进展755756环 境 化 学43 卷为有效实现空气取水， MOFs材料的水吸附等温线呈现明显的S型和较小的迟滞回线，这保证了材料在较窄湿度范围内具有水分子的快速吸附-解吸并保持良好的循环特性[62]. 在低湿度地区，为保障有效吸附空气中水分子，MOFs材料的水吸附动力学曲线拐点值必须低于环境湿度值[70]. Rieth等研究证明，将Ni2Cl2BTDD材料桥联结构中的氯离子替换为半径更大的溴离子，离子替换后合成的Ni2Br2BTDD材料能在25%低相对湿度下达到0.64 g·g−1的高吸附量，并能在400次水吸附-解吸循环中表现出持久的稳定性[71]. 进一步的研究证明，当MOFs材料存在强成核位点时，增加材料的亲水性能只能增强吸附的初始速率，并不能改变水吸附曲线拐点，而适当缩小材料的结构孔径或改变孔隙中心水分子的极性，可有效提升材料在低相对湿度下的吸水性能[72]. 将氯离子替换为溴离子后，MOFs材料的水吸附动力曲线基本保持不变（符合国际定义的Ⅳ类吸附曲线[73]），但其吸附拐点会向低相对湿度值移动（图4）.图 4 MOFs水吸附动力学曲线[71]（a）, 在25 ℃下测量的Ni2Br2BTDD、Ni2Cl2BTDD、Ni2F0.83C l0.17BTDD和Ni2（OH）2BTDD的水蒸气吸附（实心点）和解吸（空心点）等温线；（b） 使用材料密度将吸附等温线转换为体积单位Fig.4 The water adsorption kinetic curve of MOFs[71]（a） Water vapor adsorption （closed symbols） and desorption （open symbols） isotherms of Ni2Br2BTDD, Ni2Cl2BTDD, Ni2F0.83C l0.17BTDD, and Ni2（OH）2BTDD measured at 25 ℃；（b） Adsorption isotherms converted to volumetric units using the material density 将MOFs材料与传统高效吸湿盐（如LiCl、CaCl2等）复合，利用MOF材料稳定的骨架结构负载吸湿盐，可有效提升材料的整体吸附性能. Hu等[74]成功将CaCl2纳米晶体负载在水吸附性能较弱的铁基MOFs材料内部， MOFs不仅能有效防止CaCl2在水吸附过程中的潮解，而且提高了材料的水吸附性能，其水吸附容量高达2.685 g·g−1（以CaCl2为主），是原始CaCl2粉末水吸附容量的2.23倍. 将吸湿性MOFs材料富马酸铝与CaCl2进行复合，虽然富马酸铝基体的比表面积在加入CaCl2后急剧下降，但材料的水吸附容量从纯富马酸铝的0.4 g·g−1增加到0.68 g·g-1[75]. 上海交通大学王如竹课题组[76]成功将LiCl负载在MIL-101（Cr）基质中，该复合吸附剂整合了吸湿盐典型的三步水吸附性能：化学吸附、潮解和溶液吸收. 在典型低相对湿度工作条件下（30 ℃，30%RH），复合吸附剂的吸水容量高达0.77 g·g−1. 尽管MOFs材料能较好抑制吸湿盐的潮解泄漏，但为保障用水安全，基于复合吸附剂获得的液态水源的水质检测仍必不可少，例如，以满足生活饮用水的总硬度为例，水中Ca2+浓度需低于180 mg·L−1.在水分子吸附过程中，尽管MOFs材料能保持较好的孔隙率和结晶度，但由于客体-主体相互作用（如水分子诱导的键重排），材料内部仍会发生重要的分子水平结构变化[77]. Choi等基于MOF-801（Zr）开展了结构缺陷对比实验，发现MOFs材料结构中的缺陷密度是决定水吸附性能优劣的因素之一，水分子在纳米多孔MOF-801（Zr）材料上的吸附过程会优先沿着（110）方向进行[78]，但通过结构缺陷控制材料性能往往会严重破坏材料的整体稳定性[79]，进而影响材料的循环特性. Krajnc等发现，LTA（Linde Type A）型拓扑结构的沸石状磷酸铝不仅能够在10%—15%低相对湿度下表现出优异的水吸附性能，吸附容量高（0.42 g·g−1），而且材料的解吸温度与MOF-801（Zr）相比存在10–15 ℃的降幅，解吸能量需求较低. 40次水吸附-解吸循环的测试结果表明，材料总吸附容量下降程度不到2%，这说明LTA型拓扑结构的沸石状磷酸铝的循环稳定特性较好[80]，具有长期工作的可能. 基于多金属氧酸盐（Polyoxometalates，POM）结构，Zhu等首次将3种不同类型的有机配体同时引入到金属骨架结构，发现材料拥有非常优异的吸水性能，同时多种有机配体赋予的功能性也增强了MOFs材料的环境适应性[81]. 在网状化学基础上，Towsif等构建了一种全新的稳定性MOF材料“Cr-soc-MOF-1”，材料具有极高的孔隙率（比表面积达4549 m2·g−1），在70%相对湿度下水吸附容量高达1.95 g·g−1，且在100多次吸附-解吸循环后，材料水吸附容量未出现较大降幅[82].在MOFs材料合成过程中，样品最终大都呈现粉末状态. 为应用于实际，粉末状样品需均匀负载在吸附床等基底上才能保证空气取水装置的正常运行[83]. 为增强MOFs材料的适用性能和均匀负载，样品制备过程可选择合适的基底（如铝箔[84]），将MOFs材料直接在基体进行沉淀以实现均匀负载的整体式吸附材料，并将其直接应用于实际环境中. Tan等以富马酸铝为例，以玻璃纤维纸作为前驱体溶液的沉积基底，在富马酸/水物质的量比为0.02、50 ℃反应温度、60 min反应时间下，成功获得了BET比表面积为740.15 m2·g−1和吸附容量0.3906 g·g−1的高效吸附材料，检测结果表明样品中含有76%的富马酸铝功能性粉末[85]. 除去玻璃纤维纸，水凝胶也可作为MOFs材料的合成基质形成复合材料以便于直接应用，同时由于水凝胶自身良好的吸水性能，这也有利于材料在高湿度范围下的应用[13].总之，基于MOFs材料的吸附式空气取水装置能为部分地区液态水源缺乏问题提供一种极具潜力的解决方案[86]，部分已被证明可用于空气取水的MOFs材料如表3所示. 但目前MOFs材料在制备过程中经常使用二甲基酰胺（N,N-Dimethylformamide，DMF）等有毒有机溶剂和有毒重金属元素，因此，筛选、开发绿色低成本的金属源和生物安全性高的有机配体是实现MOFs材料绿色合成、经济化转型和商业化发展的研究重点，无有机溶剂参与的水热合成法、无溶剂参与的机械合成法和整体式吸附材料的制备是未来MOFs材料合成的主要趋势.表 3 可用于空气取水的MOFs材料Table 3 MOFs materials that can be used for Atmosphere water harvester名称Name 吸附转折点Adsorptionturning point水吸附容量/（g.g−1）Water adsorptioncapacity孔体积/（cm3.g−1）Pore volume比表面积/（m2.g−1）Specificsurface area稳定性StabilityCr-soc-MOF-1 [82]0.69 1.95 2.14549无损失（>100次循环）MIL-101（Cr）[9]0.4 1.55—4150无损失（100 ℃水热处理7 d）MIL-100（Fe）[9]0.350.790.822300无损失（100 ℃水热处理7 d）NiBr2（BTDD）[71]0.250.64—1770无损失（>400次循环）CoCl2（BTDD）[72]0.280.82—191263%损失（>30次循环）MOF-801（Zr）[87]0.090.360.45—无损失（>5次循环）MOF-808（Zr）[88]0.30.590.84—不稳定MOF-841（Zr）[11]0.220.510.53—7%损失（>5次循环）Al-flumarate[89]0.270.450.481080无损失（>4500次循环）MOF-303（Al）[10]0.130.450.541119无损失（>5次循环）MOF-333（Al）[65]0.220.440.4812803%损失（>2000次循环）CAU-23（Al）[90]0.300.370.481250无损失（>5000次循环）MIL-160（Al）[91]0.090.380.401150无损失（>10次循环）2.2.2 MOFs材料的应用尝试吸附性空气取水装置（adsorption-based atmosphere water harvester, ABAWH）的工作步骤主要分为3部分[92 − 93]：1）水分子吸附存储：水分子在吸附材料表面和孔隙内的吸附存储；2）水分子解吸：外部能源输入促使吸附材料内存储的水分子解吸；3）水分子液化收集：水分子在冷凝装置中的液化收集. 研究表明，在温暖潮湿条件下，空气取水装置工作的平均能耗为1.02 kWh·L−1，在寒冷潮湿气候则高达6.23 kWh·L-1[94]. 为降低能耗，依托光伏发电技术的空气取水装置（AWH）是当前研究的主要方向[95 − 96]，同时以太阳能技术等为基础确保取水装置的能量自给是实现吸附式空气取水装置工作自动化的尝试方向.3 期魏源送等：面向空气取水的金属有机框架(MOFs)材料研究进展757758环 境 化 学43 卷太阳能吸附式取水装置在日照时间充足的情况下每天至少能实现一次取水循环（图5a）：夜晚温度低（10 ℃—15 ℃）、相对湿度高（40%）， MOFs吸附材料能够快速吸附空气中的水分子达到饱和状态；白天温度较高（35 ℃—40 ℃）、相对湿度低（5%），利用太阳能直接加热吸附剂，可促进储存水分子的快速解吸脱附. Yaghi课题组基于锆离子（Zr4+）和富马酸有机配体，制备得到了水吸附性能优异的MOF-801（Zr）[11,87]，基于循环工作状态的吸附取水装置模拟计算结果表明，装置日产水量约为2.8 L·kg−1·d−1.当装置安装在沙漠地区时，为最大限度吸收太阳能和提高装置的取水效率，需将其安装在坡度37°的支架上，并以高热容量和低热导率的土壤作为冷凝器外部隔热材料以降低冷凝器表面温度. 基于昼夜单循环的吸附数据，进一步模拟结果表明若吸附初始相对湿度（RH）为20%，装置可实现0.2 L·kg−1·d−1的日产水量. 为进一步扩展装置的适用性能，进行储能装置（如光伏储能）和表面冷却技术的集成，可实现装置取水效率和循环工作能力的提升，在实际光照较弱时持续工作.图 5 （a）基于太阳能的单循环系统（MOF-801）[70]；（b）基于太阳能的多循环系统（MOF-303（Al））[10]；（c）基于太阳能的翻转式系统（UiO-66NH2（TUN））[98]；（d, e）基于太阳能的连续取水系统（PC-MOF）[13] Fig.5 （a） Solar-based single-cycle system（MOF-801）[70]; （b） Solar-based multi-cycle system（MOF-303（Al））[10] ; （c）Solar-based flip system（UiO-66NH2（TUN））[98]; （d, e） Continuous water harvester based on solar energy（PC-MOF）[13] MOFs材料的等温吸附曲线呈现明显的S型，能在较窄相对湿度范围内实现水蒸汽快速吸附解吸，若装置仅支持每日单循环工作，则浪费了材料优异的水蒸气吸附解吸性能. 进一步研究表明，基于水吸附动力学曲线控制好材料的吸附-解吸时间，最大化利用材料水蒸汽吸附的快速动力学特征，吸附取水装置完全可以在一天内实现多次集水循环[70]. Yaghi课题组以三价铝离子（Al3+）和3,5-吡唑二羧酸有机配体为原料制备了新型MOFs材料：MOF-303（Al）[10, 97]. 为充分利用材料水吸附性能，吸附装置在强对流风扇作用下快速实现水分子的吸附解吸，结果表明，在室内稳定环境为32%相对湿度和27 ℃的条件下连续工作24 h，装置完成了9次取水循环，日产水量为1.3 L·kg−1·d−1. 将装置安装在北美的莫哈韦沙漠中进行为期3 d 72h的取水工作（图5b），结果表明，即使在85%的时间内环境露点温度都在5 ℃以下，装置仍能持续保持每天7次取水循环和0.7 L·kg−1·d−1的日产水量. 但装置由于部件较多，占用空间较大，若依托光伏板进行集成，开发光伏板下的多级连续空气取水装置是一种潜在的应用方向，既能有效促进光伏厂区生产生活用水的自给，也能提升厂区的经济效益，甚至有利于厂区周围的土地灌溉或沙漠绿化.为充分利用装置的吸附-解吸循环的双步骤工作状态，使之连续产水，Wu等基于Ti3C2掺杂的UiO-66NH2（TUN）材料设计了一种新型可翻转吸附层的吸附式空气取水装置（图5c）. 模拟室内低湿环境（20%相对湿度，298 K），装置能在阳光照射下保持0.6 L·kg−1·d−1的日产水量持续产水 [98]. 一般而言，材料饱和吸附与完全解吸所用时间并不一致，基于水吸附动力学曲线，计算出吸附时间/解吸时间的比值，以此确定吸附层滚筒的数量，可最大化利用材料吸附解吸性能，实现高效持续取水. 进一步研究表明，复合材料具有显著的水吸附能力和可通过坚固的多孔水通道诱导的直接释水性能，其中MOFs材。
空气取水机原理
空气取水机原理随着人们对于健康生活的追求和环保意识的提高，空气取水机作为一种新型的饮水设备越来越受到人们的关注和欢迎。
那么，空气取水机是如何工作的呢？本文将为大家详细介绍空气取水机的工作原理和相关知识。
一、空气取水机的基本构造空气取水机主要由以下几个部分组成：空气净化器、冷凝器、压缩机、过滤器、紫外线杀菌灯和水箱等。
1. 空气净化器：空气净化器是空气取水机中的重要组成部分，它能够有效去除空气中的粉尘、杂质和有害气体，确保取出的水质纯净。
2. 冷凝器：冷凝器是空气取水机中的主要部件之一，它通过制冷工质循环于外界气体之间进行热交换，使空气中的水蒸气冷凝为液态水。
3. 压缩机：压缩机是空气取水机中的另一个重要组成部分，它负责提供足够的压力，将热交换过的气体冷凝并转化为液态水。
4. 过滤器：过滤器用于过滤水中的悬浮物和微生物，确保取出的水质安全卫生。
5. 紫外线杀菌灯：紫外线杀菌灯能够有效杀死水中的细菌和病毒，确保取出的水质达到饮用标准。
6. 水箱：水箱是用来收集和储存取出的水的地方，水箱通常具有一定的容量，方便人们随时取水。
二、空气取水机的工作原理空气取水机的工作原理可以简单概括为三个步骤：空气净化、冷凝和杀菌。
1. 空气净化：首先，空气取水机通过空气净化器对空气中的粉尘、杂质和有害气体进行过滤和净化，确保取出的水质纯净。
2. 冷凝：经过净化的空气进入冷凝器，冷凝器通过制冷工质循环于空气之间进行热交换，使空气中的水蒸气冷凝为液态水，并最终达到饮用水的标准。
3. 杀菌：冷凝出的液态水经过过滤器进行进一步的过滤，去除水中的悬浮物和微生物。
然后，经过杀菌灯的紫外线辐射，水中的细菌和病毒被有效地杀死，确保取出的水质安全卫生。
三、空气取水机的优势和应用1. 节能环保：空气取水机不需要额外的供水设备，不依赖于地下水或自来水，能够为用户提供新鲜的饮用水，减少对传统水资源的依赖，节约水资源并减少废水排放，符合环保节能的理念。
空气取水实验报告
一、实验目的1. 了解空气中水蒸气的存在及其含量。
2. 探索利用空气中水蒸气进行取水的方法。
3. 培养实验操作能力和科学探究精神。
二、实验原理空气中含有一定量的水蒸气，当空气中的水蒸气遇到冷却表面时，会凝结成水滴。
本实验利用这一原理，通过冷却空气中的水蒸气，使其凝结成水，从而实现从空气中取水。
三、实验材料1. 玻璃管（直径约10mm，长度约50cm）2. 热水3. 冷水4. 橡皮塞5. 纱布6. 计时器7. 量筒四、实验步骤1. 将玻璃管洗净、干燥，并用橡皮塞封闭一端。
2. 将玻璃管插入热水中，使其底部浸入水中约10cm。
3. 记录初始时间。
4. 每隔5分钟，用冷水冲洗玻璃管外部，使其表面温度降低。
5. 观察玻璃管内壁是否有水滴凝结，记录凝结水滴的数量。
6. 当玻璃管内壁凝结一定数量的水滴后，用橡皮塞封闭另一端。
7. 将玻璃管倒置，使水滴流入量筒中，记录水的体积。
8. 重复实验三次，取平均值。
五、实验结果经过三次实验，玻璃管内壁共凝结水滴50滴，平均每次实验凝结水滴16.67滴。
将水滴收集到量筒中，测得水的体积为0.4ml。
六、实验分析1. 空气中含有一定量的水蒸气，通过冷却可以使其凝结成水。
2. 实验结果表明，本方法可以从空气中取水，具有一定的可行性。
3. 实验过程中，玻璃管表面温度的降低速度对水滴凝结量有较大影响。
温度越低，凝结水滴越多。
七、实验结论1. 空气中确实含有水蒸气，可以通过冷却空气中的水蒸气实现取水。
2. 本实验方法可行，具有一定的实际应用价值。
3. 实验过程中，控制玻璃管表面温度对提高取水效率至关重要。
八、实验改进1. 尝试使用不同材质的玻璃管，比较其对水滴凝结的影响。
2. 优化实验装置，提高实验效率。
3. 研究不同温度、湿度等环境因素对实验结果的影响。
九、注意事项1. 实验过程中，注意保持玻璃管清洁、干燥。
2. 控制好冷却速度，避免水滴凝结过快导致实验失败。
3. 实验结束后，及时清理实验器材，防止污染。
空气冷凝取水技术的研究现状
空气冷凝取水技术的研究现状空气冷凝取水技术是一种利用大气中的水分通过冷凝和凝结的方式进行收集和储存的技术。
随着全球气候变化和水资源短缺问题的日益严重，研究和发展空气冷凝取水技术具有重要的意义。
本文将对空气冷凝取水技术的研究现状进行探讨，并介绍该技术在实际应用中的潜在价值和发展前景。
一、空气冷凝取水技术的基本原理空气冷凝取水技术的基本原理是利用空气中的水汽经过冷凝处理后，形成液态水滴，再进行收集和储存。
该技术主要包括以下几个步骤：通过冷凝器对气态水汽进行冷凝处理，使其凝结成液态水滴；然后，将冷凝后的水滴进行收集和储存。
在实际应用中，通常采用特殊的吸附剂或材料来增强冷凝效果，提高水汽的凝结速度和效率。
目前，空气冷凝取水技术已经成为了研究和开发的热点领域，各类技术和装置不断涌现。
在实验室中，已经有多种不同原理和结构的空气冷凝取水设备得到研究和开发，其中一些技术已经进入了实际应用阶段。
太阳能驱动的空气冷凝取水技术、化学吸附剂驱动的空气冷凝取水技术等。
这些技术在不同条件下，对空气中的水汽进行冷凝和收集，取得了一定的效果和成果。
在一些干旱地区和水资源紧缺地区，空气冷凝取水技术已经开始得到应用。
一些国家和地区的政府和企业，纷纷投入资金和人力进行相关技术研发和设备制造。
一些科研机构和大学，也加大了对该技术的研究力度，取得了一些积极的成果和进展。
三、空气冷凝取水技术的潜在价值和发展前景空气冷凝取水技术具有重要的潜在价值和广阔的发展前景。
空气冷凝取水技术破解了传统水资源获取方式的局限性，可以充分利用大气中的水分资源，弥补传统水资源供给不足的问题，对于解决干旱地区和水资源短缺地区的饮用水和生活用水问题具有重要的意义。
空气冷凝取水技术可以减少对地下水和地表水资源的开采和利用，有助于保护地下水和地表水资源，减缓地下水位下降和水资源枯竭的问题。
空气冷凝取水技术可以利用太阳能等可再生能源驱动，减少能源消耗和环境污染，有利于促进可持续发展和保护环境。
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空气取水装置的性能研究
淡水资源短缺问题严重影响人类的生存和发展,目前解决淡水资源短缺问题的主要措施包括节约用水、海水淡化等,但是目前这些措施都没有从根本上解决淡水资源短缺问题,而空气取水技术是解决淡水资源短缺问题的有效方法之一,能够满足某些特定条件下人类对淡水资源的需求。
空气取水技术主要具有以下特点:空气取水技术是一项非常有潜力的技术,特别适合于人口集中的发展中国家;空气取水技术受地理条件、资金、管理等条件的限制较小,基本上可以解决农村地区的供水不足问题;空气取水技术不适用于灌溉用水要求。
空气取水技术是目前国内外许多学者研究的热点问题之一,研究出了多种空气取水设备,部分空气取水设备已经得到了推广使用,经济效果良好,但是空气取水技术在国内的研究尚处于起步阶段,研制出的空气取水设备普遍存在能耗高、出水量小等问题,本文主要针对这些问题进行研究和优化。
空气取水技术主要有三种方式:表面冷却式、干燥剂吸附/再生式、引导-控制流动式。
本文研究的冷却空气取水技术属于表面冷却式取水技术的一种,它利用离心变频风机把室外湿空气送入蒸发器,湿空气流进蒸发器后被冷却到露点温度以下,在蒸发器表面形成冷凝水,凝结水在重力和新风的作用下滴落到蒸发器下部的接水盘中,再经过过滤、消毒得到健康卫生的饮用水。
自然环境的温度、湿度、风速时刻在发生变化,因此冷却空气取水装置需要满足复杂多变的环境条件。
为了更好的研究该装置的性能,首先进行设计计算,建立冷却空气取水装置蒸发器的数学模型,对空气制水装置的制水量和能耗进行模拟分析。
然后根据设计计算结果搭建冷却空气取水装置实验台。
搭建的试验台的主要创新点:风机采用变频风机,能够模拟环境风速多变的
规律;蒸发器采用两组蒸发器并联,能够满足不同季节空气热负荷变化很大的规律。
然后通过实验研究冷却空气取水装置在不同季节的性能特点。
研究结果表明:蒸发器出风口相对湿度平均值为95%,出风温度受进风温度、进风焓值的影响,进风温度越高、进风焓值越大,出风温度越高;空气取水装置每年夏季制水量大,其中9月份为制水量最大的月份,而每天夜晚的制水性能好,夏季最佳制水时间段20点~8点;消耗1度电能够制取的淡水质量随着月份发生变化,9月份消耗1度电能够制取2.1kg淡水,经济性能好;冷却空气取水装置造价低,制水成本低。