《Journal of Environmental Management》：Feasibility of atmospheric water harvesting and generation technologies: Bridging innovation and market adoption
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大气水收集与生成技术综述强调被动吸附法中水凝胶（如LiCl@PHEA）和MOF材料（如Cr-soc-MOF-1）的实验室性能优势，但指出实际应用受限于成本、气候适应性及规模化验证不足，主动式VCRC系统虽能耗高但商业化较成熟，仍需加强社区级试点与全生命周期评估。
V. Campos|G.G. Gon?alves|G.M. Matos|J.M.F. Domingos|D.G. Marques
圣保罗州立大学（UNESP），巴西圣保罗索罗卡巴科学技术研究所
摘要
大气水收集与生成（AWH–AWG）技术是一类新兴的分散式供水系统，具有补充或替代传统地表水和地下水资源的潜力。本文基于PRISMA指导的系统性筛选方法，对133篇同行评审研究进行了批判性和综合评估，其中包括2020年至2025年间发表的22篇综述文章，并结合了专利分析和商业可用系统的调查。分析表明，基于被动吸附的方法中，水凝胶材料表现出最高的水分吸收性能，特别是LiCl@PHEA，在90%相对湿度（RH）条件下可实现11.18克/克的水分吸收量。在基于MOF的吸附剂中，Cr-soc-MOF-1在75% RH条件下的最大吸收量为1.95克/克；而在低湿度条件下，双金属MOF-74的表现更为优异，可在10% RH条件下实现0.40克/克的吸收量。相比之下，主动式方法中，蒸汽压缩制冷循环（VCRC）系统在现有技术中具有最高的产水率，据报道其产水能力可达每天42升。研究结果强调，AWH–AWG技术仍缺乏在代表性气候条件下的可靠试点规模验证。明确考虑相关成本、所使用的能源类型以及社区规模的可扩展性仍然是必要的。对于被动式方法而言，材料性能与成本之间的平衡是一个关键限制因素，因为高性能吸附剂可能因成本过高而影响决策和实际应用。
引言
大气水分是地球上最大的可再生淡水资源之一，随着水资源短缺问题的加剧、气候变化的加剧以及对传统水资源的压力增大，其战略重要性日益凸显。在这种背景下，大气水收集与生成技术作为分散式供水系统的补充方案应运而生，尤其是在地表水和地下水资源有限的地区（Dani?maz和Alhurmuzi，2021；Jarimi等人，2020；Zhou等人，2020）。自2020年以来发表的综述文献显示，该领域因热力学、材料科学和系统工程的进步而得到巩固（Gado等人，2022；Tu和Hwang，2020；Shafeian等人，2022；Nikkhah等人，2023）。
AWH–AWG技术根据其工作原理和能源需求通常被分为被动式、主动式和混合式系统。基于表面冷凝和露水收集的被动系统依赖于较高的相对湿度（通常在70–90%范围内），同时需要空气与收集表面之间的良好热平衡，使表面温度低于环境露点（Jarimi等人，2020；Shafeian等人，2022）。这些气候条件极大地限制了它们的空间和时间适用性。
基于被动吸附的系统利用固体材料的吸湿性从空气中捕获水蒸气，随后通过加热释放水分。与直接冷凝方法不同，这些系统不依赖于表面冷却，但仍受相对湿度、吸附动力学和热解吸过程效率的限制（Zhou等人，2020；Feng等人，2022）。尽管在实验室规模上吸附能力和循环稳定性方面取得了显著进展，但再生效率、设备集成和整体能源平衡方面的限制仍影响其实际应用可行性（Feng等人，2022）。
主动式系统主要基于蒸汽压缩制冷循环或利用珀尔帖效应的热电冷却装置，这使得它们能够在较宽的相对湿度范围内运行（Tu和Hwang，2020；Nikkhah等人，2023）。尽管与被动方法相比，主动式方法的单位体积产水能耗较高（Dani?maz和Alhurmuzi，2021；Tashtoush和Alshoubaki，2023），但这种操作灵活性使其在当前商业化的大气水生成设备中占据主导地位。为解决气候适用性与能源效率之间的权衡，人们提出了结合吸附式水分捕获与热能、光热能或电能输入的混合系统（Shafeian等人，2022）。最近的评估表明，将辐射冷却集成到被动和混合式AWH配置中是一种有前景的策略，可以减少对主动制冷的依赖，在低于环境温度的条件下增强冷凝和吸附驱动的水分捕获，并提高系统的整体可持续性，尤其是当与表面形态优化、吸附材料或太阳能驱动过程结合使用时（Nishad等人，2025）。
无论采用何种技术配置，大气水收集的可行性都受到当地气候条件的显著影响。综述研究表明，AWH–AWG系统的性能取决于空气温度、相对湿度及可利用的热梯度之间的相互作用，这些因素在空间和时间上存在显著差异（Salehi等人，2020；Agyekum等人，2024；Wang等人，2024）。这些因素对可收集的水量及冷凝或解吸过程的能源效率都设定了热力学限制。
为了支持可行性评估，人们提出了基于气候的指标，其中最著名的是Moisture Harvesting Index（MHI），由Gido等人（2016）开发，用于结合空气温度和相对湿度来估算直接冷却方式提取大气水分的能源可行性。后续应用表明，MHI有助于跨气候区域的比较评估，尽管它不能替代系统和材料特定的分析（Cattani等人，2022）。
在吸附材料领域，近期文献重点关注金属-有机框架、盐-聚合物复合材料、水凝胶和先进聚合物基质，特别是实验室规模下的吸附性能（Feng等人，2022；Lovis等人，2024；Ehtisham等人，2025）。目前报道的超强吸收聚合物和载盐水凝胶具有最高的重量吸水能力（Xu等人，2024），而由回收聚合物制成的集成聚合物平台为将其纳入实际应用中的混合系统提供了途径（Campos等人，2025）。这些方法仍依赖于较高的相对湿度和对解吸过程的严格控制。
同时，适用性和技术成熟度的评估揭示了科技创新与实际应用之间的持续差距。Brambilla等人（2022）指出，大多数AWH技术仍处于较低的技术准备阶段，面临可扩展性、维护和实际运行条件下的性能限制。在这种背景下，综合性综述对于连接材料性能、系统配置、气候可行性、专利活动和商业设备至关重要。本综述综合了这些要素，以提供对当前大气水收集与生成技术现状的客观评估。
搜索策略
在Web of Science、Scopus和PubMed数据库中进行了系统搜索，使用“atmospheric water harvesting”、“atmospheric water generation”、“moisture harvesting”、“sorption-based water harvesting”、“condensation-based systems”和“relative humidity”等术语的布尔组合进行搜索。搜索涵盖了系统筛选时的所有索引记录。去除重复记录后，根据标题和摘要筛选出361条记录，并对其中157篇文章进行了评估。
AWH–AWG技术
传统上，AWH技术可分为三类：直接收集、蒸汽浓缩和集成系统（Tu和Hwang，2020）。大气水蒸气可通过多种技术捕获，其中表面冷却和吸湿性干燥剂是最广泛应用的方法（Tashtoush和Alshoubaki，2023）。大气水生成器通过将空气中的水分转化为液态水来工作，具有潜在的优势。
AWH–AWG材料
大气水收集与生成系统的性能和可行性从根本上取决于负责水分吸收和释放的吸附材料的性质。过去二十年中，候选材料从传统的干燥剂（如硅胶和沸石）扩展到金属-有机框架、共价有机框架、水凝胶、聚合物薄膜、吸湿性盐类以及多种复合系统（Ehtisham等人，2025；Peeters等人）。AWH-AWG专利
对水资源短缺的担忧由来已久，捕捉大气水分的技术尝试可以追溯到几十年前。最早的文献记录之一是Tygarinov在1947年提交的专利（专利号69751，俄罗斯），该专利展示了大气水蒸气冷凝装置的初步概念，标志着大气水生成技术发展的一个重要里程碑（Tygarinov，1947）。商业设备
大气水收集与生成技术的商业应用范围远不如快速发展的学术文献所显示的那么广泛。文献计量分析表明，自20世纪40年代以来，与大气水收集相关的科学产出持续增加；然而，将实验概念转化为具有商业可行性的产品的进程进展较为缓慢。在此背景下，本综述识别了...K?ppen–Geiger分类
地球呈现出复杂的地理环境和气候条件组合，这些因素共同塑造了不同地区和城市的气候模式（Trenberth等人，2009；IPCC，2021）。气候控制与可行性评估
对气候限制、技术路径、创新趋势和可扩展性的综合评估表明，大气湿度是AWH–AWG可行性的主要决定因素，而温度和能源可用性则是次要调节因素。基于气候的指标（如Moisture Harvesting Index（MHI）通过结合相对湿度和温度来估计热力学可行性，提供了有用的初步筛选工具。结论
本综述批判性地总结了大气水收集与生成技术的可行性限制，整合了系统文献筛选、材料级性能、系统设计、气候限制、专利趋势以及当前的商业应用状况。尽管科学产出快速增长，但在实验室规模创新与在实际运行条件下经过验证的可扩展解决方案之间仍存在显著差距。
CRediT作者贡献声明
V. Campos：撰写——综述与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法论、研究设计、资金获取、数据管理、概念构思。G.G. Gon?alves：研究、数据管理。G.M. Matos：研究、数据管理。J.M.F. Domingos：研究、数据管理。D.G. Marques：验证、监督、研究、数据管理。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Valquiria Campos表示获得了圣保罗州研究基金会（FAPESP）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了圣保罗研究基金会（FAPESP）（项目编号2023/12713-3和2024/04952-0）以及IGTPAN（Granado聚丙烯腈技术研究所）的支持。
