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王如竹ITEWA团队提出MOF材料热电湿泵,实现连续式空气取水与湿度调节

发布时间:2024-04-18

近日,博冠体育制冷与低温工程研究所王如竹教授领衔的ITEWA团队在Nano Energy上发表题为“Continuous atmospheric water production coupled with humidity regulation enabled by a MOF-based humidity pump”的研究论文,提出了一种基于MOF材料的吸附式湿泵,实现了连续式空气取水与湿度调节功能耦合,装置取水量高达2510 mLwater·kg-1MOF·day-1,同时充分挖掘MOF在大气水吸附过程中的除湿潜力,为下一代装置设计提供了新思路。制冷与低温工程研究所博士生陈芷荟为论文第一作者,王如竹教授为通讯作者。

 

 

淡水资源短缺正威胁着人类社会的可持续发展,吸附式空气取水技术能够利用吸附剂从大气中捕获水分并冷凝收集液态水,展现出广阔的应用前景。目前该领域研究从材料科学到工程应用仍存在显著差距,如何强化吸附床热湿耦合传递以充分发挥吸附剂的吸湿性能,同时优化装置结构设计实现连续式大气水生产以满足实时用水需求,是值得研究的重点问题。此外,研究关注到大气水吸附伴随局部除湿过程,将湿度调节功能引入取水装置设计构建双功能耦合湿泵系统,有利于将该技术推向更广泛的应用场景。

 

MOF涂层吸附模块的制备与表征

 

研究团队选用金属有机框架材料Ni2Cl2(BTDD)作为大气水吸附剂,采用原位浸渍法制备得到具有快速水蒸气吸附-解吸动力学特性的MOF涂层吸附模块,设计搭建了一款小型吸附式热电湿泵,采用多循环吸附-解吸同步运行策略以实现连续式空气取水耦合区域湿度调节目标。实验结果显示,装置吸附侧出口空气湿度由72% RH降到58% RH,连续运行11个循环取得2510 mLwater·kg-1MOF·day-1的日产水量,优于现有的大多数主动式空气取水装置,与吸附剂本身的吸湿能力相比,多循环连续运行策略使其吸附性能提升了约3.7倍。

 

吸附式热电湿泵结构设计与热质传递优化

 

连续式空气取水耦合湿度调节功能装置实验验证

 

研究团队采用热电材料作为解吸热源实现了取水系统的小型化设计,为小型空气取水装备的研发提供了新思路和有效途径。未来为实现大规模且低能耗空气制水,可以采用压缩式热泵技术与除湿换热器结合的方式,且小温差压缩式热泵可以采用冷凝废热实现吸附材料再生,每升水的耗电量预计可以降到热电系统的18%以下,进而推动吸附式空气取水技术走向现实生活。

 

王如竹教授领衔的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Science, Nature Water, Joule, Energy & Environmental Science, Nature Communications等国际期刊发表系列学科交叉论文。

 

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109596

供稿:制冷与低温工程研究所    
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