基于吸附-蒸发协同效应的太阳能大气水收集系统集成实验研究：解决淡水危机的创新路径

为解决全球淡水短缺问题，研究人员开发了一种新型太阳能驱动大气水收集系统（SDAWH），集成直接蒸发冷却器（DEC）与空气-空气热交换器（HE）。该系统采用两端开口真空管集热器（ETC）产生高温空气，结合低成本吸附材料（硅胶/分子筛），实现日均7.8升淡水产量（成本0.087美元/升），能量效率达15.11%。其创新性在于通过DEC-HE协同冷凝技术显著降低换热器结垢风险，为干旱地区提供可持续淡水解决方案。

　　

淡水资源短缺已成为威胁全球社会稳定的重大挑战。随着气候变化加剧和人口增长，世界卫生组织预测到2030年全球半数人口将面临水资源压力。当前海水淡化技术受限于高能耗，而传统大气水收集方法如雾收集或压缩制冷系统则存在效率低、成本高等瓶颈。尤其值得注意的是，现有吸附式大气水收集系统（SDAWH）普遍面临冷凝效率不足、材料成本高昂或设备腐蚀等问题。例如金属有机框架（MOF）虽能实现9.11 LPD（升/天）的高产水量，但其材料成本是商业化的主要障碍；而水冷式换热器虽提升效率却易引发结垢，导致维护成本激增。

针对这些技术痛点，印度国家理工学院的研究团队创新性地将直接蒸发冷却技术（DEC）与空气-空气热交换器（HE）耦合，构建了新型太阳能大气水收集系统。该系统通过4.86 m²两端开口真空管集热器（ETC）产生高温气流，驱动吸附材料（硅胶SG/分子筛MSp）的脱附再生；利用DEC将地下盐水蒸发冷却后的低温空气导入铜制HE管，实现高效冷凝而不直接接触换热表面，从根本上解决了结垢和腐蚀难题。相关成果发表于《Journal of Water Process Engineering》。

关键技术包括：1）ETC-SAHE（太阳能空气加热器）集成设计，实现120°C高温空气输出；2）DEC-HE三级冷凝系统（大气空气→DEC湿通道→HE干通道）；3）多孔吸附床动态性能评估；4）基于热力学定律的能量/?效率分析；5）水质安全检测（pH值、TDS等指标）。

系统细节
实验装置包含30根1.8 m长ETC组成的SAH、双层吸附床（SG/MSp各20 kg）、3.5 kW离心风机和DEC-HE模块。测试显示SG在60%相对湿度（RH）下吸附量达0.32 kg/kg，显著优于MSp的0.25 kg/kg。

性能评估
在印度苏拉特4月气候条件下（平均太阳辐射6.2 kWh/m²），系统峰值产水量达7.8 LPD，较传统水冷系统提升47%。能量效率（15.11%）与?效率（4.23%）的差异揭示了热能品质损耗主要发生在DEC蒸发过程。

结果和讨论
SG因更优的吸附动力学特性，其日均产水量（5.4 LPD）比MSp高18%。DEC-HE设计使冷凝效率提升至82%，且HE表面经300小时运行未检测到结垢。成本分析显示，规模化后单价可降至0.05美元/升，显著低于MOF基系统（1.2美元/升）。水质检测符合WHO饮用水标准，TDS<50 mg/L。

结论
该研究通过DEC-HE创新架构实现了吸附冷凝过程的解耦，既保留了水冷系统的高效性，又规避了其维护难题。特别是利用地下盐水作为DEC冷却介质，既避免淡水资源浪费，又延长设备寿命。虽然当前?效率仍有提升空间，但该系统为干旱沿海地区提供了可扩展的淡水解决方案，其模块化设计便于根据需求调整容量。未来研究可探索混合吸附材料（如SG-CaCl₂复合材料）以进一步提升低温条件下的吸附性能。