综述：大气集水技术：原理、创新、系统及前景的综合评述

《Next Energy》：Atmospheric water harvesting: A comprehensive review of techniques, innovations, systems, and future prospects

　　

全球淡水短缺已影响超20亿人口，而大气中约含13000 km3水蒸气，是尚未被充分开发的战略资源。大气集水（Atmospheric Water Harvesting, AWH）可通过冷凝、吸附及被动辐射效应将水汽转化为饮用水，尤其适用于常规供水基础设施无法覆盖的区域，能提供去中心化的饮水供给方案。现有研究多孤立探讨材料、系统或经济性，缺乏整合视角，导致技术选型缺乏统一标准。本研究综合分析了2000年至2025年的187篇同行评审文献，首次从性能表现、技术经济可行性及气候带适配性三个维度对AWH技术进行集成评估。基于标准化基准条件（干旱区：30 ℃、相对湿度20%；热带区：30 ℃、相对湿度80%），研究显示：主动冷凝技术在湿润气候下的产水量为58.1–90.3 L/d，但在干旱区不足5 L/d；而以金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）或吸湿盐为核心的直接吸附系统，在仅20%相对湿度下仍可维持0.8–1.5 L/(kg·d)的饮用水产出。平准化水成本（Levelized Cost of Water, LCOW）介于0.02–0.17美元/L，具体数值受气候与能源类型影响；若与现有太阳能光伏（Photovoltaic, PV）设施耦合，成本可降低4–5倍。此外，基于质量归一化吸附剂利用策略，结合湿度昼夜波动的自适应控制方案，相较静态运行可使能耗降低44%，单位产水率提升169%。本研究构建了包含5种气候带、4类能源场景、6种AWH技术的选型决策矩阵，配套平准化成本建模、明确假设前提及参数敏感性分析。结果表明，与气候适配的技术可实现可扩展的离网供水；而融合吸附、太阳能聚光与风驱对流特性的混合构型，最有望成为缺水地区实现连续、低能耗产水的主流路径。

1. 1.
   引言
   淡水是社会发展的核心约束要素，全球人口增长导致淡水需求创历史新高，传统地表水与地下水正遭受气候变化与污染威胁。大气集水通过将空气作为可再生水源，为解决供水危机提供了转型路径。大气中常年保有超过13000 km³的气态水，其洁净度普遍优于地表水。该技术历史悠久，早期以沿海雾收集为代表，而材料科学的进步使其可拓展至内陆低湿区域，利用水凝胶、沸石及吸附式换热器实现极低湿度环境下的取水。相比传统输配水模式，AWH具备三大优势：摆脱老旧基础设施依赖、系统重量远低于远程运水、可在用水点原位生产直饮水。当前全球约四分之一人口无法获得稳定安全饮用水，干旱与半干旱地区的困境尤为突出，传统海水淡化与长距离管网在经济与地质层面均不可行。AWH通过构建分布式本地水源增强系统韧性，且与太阳能、地热能及工业余热等可再生能源耦合，可大幅降低能耗与环境负荷，支撑偏远社区实现自主水安全。
2. 2.
   文献检索与筛选方法
   本研究遵循系统综述规范，检索Web of Science、Scopus、ScienceDirect与Google Scholar四大数据库，时间跨度为2000年1月至2025年3月。检索词涵盖“大气集水”“大气水生成”“雾收集”“露水收集”“吸附式集水”“MOF集水”“吸湿集水”“辐射冷却集水”及“混合AWH系统”等核心术语，并采用布尔运算符组合。纳入标准为：经同行评审的期刊论文或会议论文、内容涉及AWH技术、材料、系统、经济学或实地部署、以英语发表。排除标准为：专利与灰色文献、仅涉及非大气水源的脱盐或地表水处理研究、重复数据集。初检获得412条记录，去重后剩余365条，经标题与摘要筛选保留222篇全文，最终187篇纳入分析，筛选流程符合PRISMA规范。
3. 3.
   取水基本原理
   大气集水主要依托吸附与冷凝两大热力学机制。吸附过程捕获水汽，随后通过能量输入使水汽脱附并冷凝为液态水。大气中水汽总量受蒸发与冷凝动态平衡调控，分布极为分散，开发小型化集水单元有助于区域水文评估与雨水管理。冷凝集水器可利用金属板结合吸湿材料在沙尘环境中稳定运行，而风驱无源冷凝器可在气温低于露点温度且湿度接近饱和的干旱区工作。新兴技术如辐射冷却、离子风等进一步提升了干旱环境集水效率。近年来系统正向紧凑化发展，部分构型还可兼顾空调制冷功能，同步产出淡水与冷量。

3.1 水蒸气冷凝原理

冷凝主要通过降温与增压实现，其中降温因无需额外加压设备而被广泛应用。常规暖通空调系统常通过冷却盘管将空气降至露点以下以除湿，但常设温度过低导致能效不佳。替代方案包括聚焦气流喷射冷却、低温固体表面冷凝及基于硅酸盐结晶的吸附除湿等。与建筑空调中防止表面结露的设计目标相反，新型集水技术探索在非冷却甚至加热表面上实现水汽冷凝，并利用“热泵”效应回收热量，其原理借鉴海洋与陆地间的自然温湿交换过程，同时与纳米级水雾捕集及生物气溶胶传播机制存在关联。

3.2 吸附与冷凝过程

吸附是指流体中的水分子附着在固体吸附剂表面的过程，传统吸附材料如硅胶与沸石凭借高比表面积与多孔结构实现湿气捕获，但通常需要80–200 ℃的高温热源进行脱附再生。冷凝则是气态水转变为液态并释放潜热的过程，工业界多采用机械制冷实现。被动冷凝技术近年取得显著进展，仿生冷凝器通过表面粗糙度、多孔结构与超亲水性优化液滴成核与脱落，结合纳米结构材料可最大化有效冷凝面积。碳纳米管与石墨烯等材料通过调控亲疏水特性进一步提升传质效率，智能传感器可实时监测温湿度与风速，动态调整冷凝表面倾角与物性参数，使被动系统在干旱与半干旱地区具备实用价值。

1. 4.
   大气集水技术分类
   AWH技术可分为被动技术、主动技术与新兴混合技术三大类，涵盖雾/露收集、冷凝驱动、吸附驱动及其交叉组合。

4.1 标准化基准下的性能归一化

不同技术对温湿度变化的响应差异巨大，需基于美国能源部标准干旱基准（30 ℃/20% RH）与湿润基准（30 ℃/80% RH）进行对标。蒸汽压缩循环（Vapor Compression Cycle, VCC）系统在低湿环境下需消耗大量显热将空气冷却至露点（约4.6 ℃），导致能耗激增；而先进吸附系统在低湿区间的性能衰减远小于冷凝系统，主要受限于再生温度（通常需高于80 ℃）与吸附剂饱和速率。

4.2 敏感性与运行参数分析

环境参数对产水性能呈非线性影响。当环境温度恒定为30 ℃时，相对湿度从80%降至70%，主动VCC系统的单位能耗将上升32%，因为压缩机需额外做功以降低空气温度触及露点。相比之下，吸附系统对低湿波动的敏感度较低，在20%–40% RH区间内仅出现5%–8%的产水量衰减。此外，空气流通量超过最优设计值20%时，风机寄生功耗的立方增长将抵消传质系数提升带来的收益，导致净产水量仅微增5%。吸附剂在多周期循环后会出现结构退化、盐析与滞后环变形，造成约12%的产水量衰减。

4.3 被动技术

此类技术不依赖外部电力，依靠辐射冷却、自然对流与重力排水，适合小规模分散式供水。

4.3.1 露水收集系统

利用大气窗口（8–13 μm）的长波辐射散热，使表面温度低于空气露点以凝结水汽，在干旱/半干旱区典型产水量为0.3–0.6 L/(m²·夜)。表面红外发射率与太阳吸收率是决定性能的核心参数，激光微织构铝表面通过构建超亲水沟槽可将产水量提升70%。仿生凹凸表面与低接触角滞后设计能加速液滴脱落，使产水速率达到55 mg/(cm²·h)，较平面提升40%–65%。

4.3.2 露水收集系统的局限性

最大理论产水量受限于净辐射冷却通量（80–100 W/m²），单夜产水上限约为0.5–0.8 L/m²。阴天夜晚的大气逆辐射会抵消表面散热，导致全年有效集露天数不足40%。沙尘污染会持续劣化表面发射率与润湿性，需定期维护。此外，收集的露水可能含有空气污染物，通常需追加紫外与过滤处理以满足饮用标准。

4.3.3 雾收集网

利用风能驱动雾滴撞击多孔介质并依靠重力汇集，常用聚合物拉舍尔网（Raschel Net），在沿海与高山区域单日产水量可达1–10 L/m²。气动效率取决于网孔形状、孔隙率与迎风角度，凹面收集器的捕获效率最高可达35%。现代设计通过润湿性调控、仿生拓扑、垂直丝线（雾竖琴）、多层阵列、剪纸结构（Kirigami）、圆柱刷及超疏水涂层等手段，有效解决了网孔堵塞问题，部分构型产水量可达传统网具的3倍以上。

4.3.4 雾收集系统的局限性

该技术高度依赖站点条件，仅适用于多雾的沿海与高海拔区域，全球70%以上的干旱区年雾时不足100小时，不具备经济可行性。海洋气溶胶与生物附着会使网孔效率在一年内下降30%–50%。雾水含量在0.01–10 g/m³间剧烈波动，导致系统规模设计与经济模型难以标准化。

4.3.5 太阳能蒸馏器

虽然主要用于咸水淡化，但其蒸发-冷凝热力学过程对AWH混合系统设计具有重要参考价值。传统被动盘式蒸馏器产水量仅为2–5 L/(m²·d)，效率30%–45%。改进型包括对流式蒸馏器、屋顶集成式蒸馏器及壳管式蒸馏器，通过引入外部热源与主动空气循环，可将产水量提升至10–14 L/(m²·d)，但系统复杂度与成本相应增加。

4.4 主动技术

需消耗外部能源以提升产水强度与连续性，主要包括冷凝驱动与吸附驱动两类。

4.4.1 基于冷凝的系统

通过蒸汽压缩制冷或热电（Thermoelectric, TE）模块将空气强制冷却至露点以下。集成相变材料（Phase Change Materials, PCMs）与多级蒸发器的最新构型，可在1个太阳光强下实现5.8 L/(m²·h)的产水速率，性能达传统系统的6–7倍，有效填补了小型蒸馏器与大型工业多效蒸馏之间的技术空白。

4.4.2 基于干燥剂（吸湿材料、吸附）的系统

利用液体（氯化锂、氯化钙等）或固体（硅胶、沸石、活性氧化铝、MOFs等）干燥剂吸附水汽，再通过热再生释放高浓度湿空气并冷凝。系统由除湿器、再生器、换热器及泵阀构成，再生热源可采用热风、热水或蒸汽。旋转轮式除湿器在工业应用中最为成熟，通过与太阳能集热器耦合可实现连续运行。

4.4.3 吸附系统的局限性

传统固体干燥剂的再生温度门槛限制了其在冬季或低辐照期的应用。实验室级MOFs材料成本高达100–200美元/kg，远超10美元/kg的经济可行阈值。多周期循环会导致MOFs结构降解，水凝胶复合材料在100次循环后产水量通常衰减12%。高湿环境下吸湿盐易从复合基质中泄漏，或因相变形成液态盐水池，造成结构塌陷与产水离子污染。

4.5 新兴混合技术

通过协同整合多种物理机制与可再生能源，突破单一技术的工况限制。

4.5.1 吸附与太阳能加热结合

将MOFs或吸湿盐固定在聚合物与水凝胶基质中，夜间被动吸附低湿水汽，白天利用太阳能光热效应原位再生，实现无电或多日循环产水。最新进展已实现单日6次以上完整吸附-脱附循环。

4.5.2 吸附与辐射冷却结合（含/不含太阳能）

白天利用太阳能再生，夜间利用辐射冷却降低冷凝表面温度，实现昼夜连续运行。通过分级孔隙结构设计加速水汽扩散，部分系统无需外部电力即可维持恒定产水。

4.5.3 吸附、太阳能聚光与风能结合

利用聚光太阳能同时加热吸附剂与冷凝器，结合风驱自然对流穿过吸附床与翅片冷凝器，在完全无电条件下实现14.9 L/(m²·d)的产水纪录。

4.5.4 混合雾/露表面（润湿性+辐射冷却）

在冷凝表面构建超亲水成核区与超疏水导流区的图案化润湿性分布，配合辐射冷却设计，抑制液滴再蒸发，实现全天候集水。

1. 5.
   取水创新技术
   大气集水发生器（Atmospheric Water Generators, AWGs）正朝着材料与智能化方向发展。先进吸附材料包括MOFs、吸湿水凝胶、光热材料及仿生表面。MOF-801在25 ℃、20% RH下吸附容量达0.25 g/g，配合太阳能可实现沙漠空气取水；吸湿水凝胶利用廉价前驱体制备，在60%–80% RH下达2–6 g/g的吸附量，且生物质基水凝胶可显著降低碳足迹；光热材料能将太阳能局域转化为脱附热能，使脱附时间缩短至8分钟以内；仿生表面设计模仿沙漠甲虫、仙人掌与猪笼草的特性，通过调控液滴成核、合并与脱落动力学，将冷凝效率提升20%以上。此外，氦气球载高空集水等新概念也在探索中，但经济性与环境影响仍需评估。
2. 6.
   取水的环境与社会影响
   AWH的环境可持续性取决于能源结构、原材料选择与土地利用方式。当前高能耗与高成本仍是主要瓶颈，需重点推进真实环境下的材料与设备测试、与可再生能源深度耦合、开发模块化可扩展单元。社会接受度方面，应建立独立透明的环境与水质监测体系，开展公众科普教育以消除对新技术的未知恐惧，并通过研究者、政策制定者与产业界的协作推动负责任的技术落地。
3. 7.
   不同气候带的成本效益
   平准化水成本（LCOW）计算表明，能源来源是主导因素。将电网供电切换为现有光伏，可使LCOW降低50%–75%。在湿润气候（热带/沿海），主动冷凝系统的LCOW最低，约为0.02–0.06美元/L；当相对湿度低于40%时，吸附系统转为更经济的选择。在距离传统供水管网超过600公里的偏远地区，管道输水的边际成本往往超过0.10美元/L，此时太阳能增强型AWH具备经济竞争力。针对撒哈拉以南非洲干旱农村的案例测算显示，太阳能吸附式AWH的LCOW约为0.139美元/L；东南亚沿海热带地区的光伏驱动冷凝式AWH的LCOW可低至0.042美元/L。
4. 8.
   未来趋势与研究展望
   当前最核心的研究缺口包括：MOFs材料成本需从100–200美元/kg降至10美元/kg以下；吸附剂循环寿命需从目前的50–200次提升至5000次以上以满足15年系统寿命；低于15% RH的极旱环境下产水率需突破1.0 L/(kg·d)；系统级能耗需降至0.5 kWh/L以下；需建立千吨级/日的社区规模标准化模块。各技术成熟度（Technology Readiness Level, TRL）评估显示：雾收集网与光伏冷凝AWG已具备商业化条件（TRL 7–9）；辐射露水收集与常规干燥剂轮处于示范阶段（TRL 5–7）；MOFs吸附与混合系统仍处于实验室研发期（TRL 3–5）。纳米技术在亲水涂层、光热转化与水处理膜领域的应用将是未来突破的关键驱动力。
5. 9.
   结论
   本研究首次构建了涵盖被动与主动AWH技术的综合评估框架，确立了气候适配性的核心地位。量化结论表明：主动冷凝在热带产水58.1–90.3 L/d，但在干旱区不足5 L/d；吸附技术在10%–40% RH区间仍可有效工作；LCOW跨度为0.02–0.17美元/L，光伏耦合可降本4–5倍；自适应控制策略可降耗44%并提产169%；辐射露水收集达0.3–0.6 L/(m²·夜)，雾收集网达3–10 L/(m²·d)，无电混合系统可达14.9 L/(m²·d)。AWH并非通用解决方案，而是需精准匹配本地条件的技术组合。未来规模化可持续部署的路径在于拥抱混合构型，协同被动原理、智能控制与可再生能源，为缺水地区提供韧性的去中心化水安全方案。