《Journal of Water Process Engineering》：Experimental investigation of a sorption-based atmospheric water harvesting system using a LiCl/CaCl?–silica gel composite
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对大气水收集（AWH）的吸附系统进行了实验测试。使用了一种通过浸渍介孔硅胶与LiCl和CaCl?制备的二元盐复合材料。研究了不同条件下过程的热力学和动力学。根据墨西拿天气数据的理论分析表明，每年每公斤吸附剂的水产量为0.20至0.35升。
对大气水收集（AWH）的吸附系统进行了实验测试。使用了一种通过浸渍介孔硅胶与LiCl和CaCl?制备的二元盐复合材料。研究了不同条件下过程的热力学和动力学。根据墨西拿天气数据的理论分析表明，每年每公斤吸附剂的水产量为0.20至0.35升。
**论文解读：基于LiCl/CaCl?–硅胶复合材料的吸附式大气水收集系统实验研究**
**研究背景与问题**
随着水资源短缺加剧，大气水收集（AWH）作为一种分散式淡水供应策略受到广泛关注，尤其在干旱和基础设施匮乏地区。吸附式大气水收集（SAWH）利用吸湿性吸附剂捕获水蒸气，再通过温和加热释放，可高于露点运行并利用低品位热能。然而，现有研究多集中于材料层面的平衡吸附容量，缺乏对系统级动力学、循环优化及冷凝回收效率的系统性实验验证。尽管高容量吸附剂（如二元盐复合材料、盐负载水凝胶、金属有机框架MOF等）不断涌现，但多数研究仅基于平衡吸附等温线，未系统量化宽操作条件下的动力学限制，而传质限制和循环时间最终决定日产量。此外，快速循环系统表明，冷凝和回收效率常成为瓶颈，需集成有效冷凝器。目前，完整原型在宽环境范围内的测试仍有限，缺乏将吸附剂行为与气候可变条件下循环优化相联系的实验数据集。因此，本研究旨在填补材料级性能与设备级生产力之间的关键空白，通过实验研究一个集成LiCl/CaCl?–硅胶复合材料于翅片管换热器的半开式单床SAWH系统，系统表征吸附-解吸动力学，并评估原型尺度性能。论文发表在《Journal of Water Process Engineering》。
**主要技术方法**
研究人员采用干浸渍法制备了LiCl/CaCl?–硅胶复合吸附剂（约10 kg批次），其中介孔硅胶为支撑基质，LiCl和CaCl?为二元盐活性相。将复合材料填充至铝制翅片管换热器（尺寸170×257×27 mm，换热面积1.66 m2，填充约180 g吸附剂）。实验台架为3D打印的模块化风道，包含离心风机、温湿度传感器、冷热恒温浴和冷凝冷板。通过改变吸附温度（25–42 °C）、解吸温度（50–90 °C）、入口空气含湿量（7.5–11.5 g
water/kg
air）和空气流速（0.1–1.0 m/s），测量吸附过程进出口空气含湿量差，积分计算水吸附量，并采用指数拟合确定特征时间（τ）。理论年产量基于墨西拿（意大利）气象数据，假设太阳能集热器提供80 °C热源，日运行8小时。
**研究结果**
**5.1 空气含湿量的影响**
通过改变入口空气含湿量，发现水吸附量随含湿量单调增加：从7.5 g
water/kg
air时的0.15 g/g升至11.5 g
water/kg
air时的0.6 g/g。表明SAWH系统性能强烈依赖气候条件。
**5.2 吸附和解吸温度的影响**
吸附温度从42 °C降至25 °C，水吸附量从0.42 g/g增至0.72 g/g；解吸温度从60 °C升至90 °C，工作容量从0.35 g/g增至0.56 g/g，但70–80 °C以上增益边际。特征时间呈非单调趋势：吸附温度25 °C时为28 min，30 °C时增至36 min，40 °C时降至22 min，由驱动力和理论吸附量共同决定。理论小时产量在25–90 °C条件下最高（0.80 kg
water/kg
sorbent），而30–60 °C与37–90 °C相差约100 g
water/kg
sorbent，表明低品位热源可行。
**5.3 空气流速的影响**
空气流速低于0.3 m/s时，特征时间随流速增加显著降低，表明外部传质阻力主导；流速大于0.6 m/s后，特征时间稳定在18–22 min，达到传热性能极限，此时可完成约1.5个循环/小时。小时产量随流速呈二次增长，符合Nusselt-Reynolds相关性。
**6. 讨论**
**6.1 理论年产量**
基于墨西拿气候，假设日间8小时80 °C解吸，理论年产量为900 L/kg
sorbent，小时产量0.20–0.35 L/kg，秋冬较高，夏季较低，与可大规模生产材料（如该复合材料可批次达300 kg）的实验室系统结果一致。
**6.2 能量分析**
比能耗（SEC）随解吸温度升高从1.7 kWh/L增至2.4 kWh/L，热效率从0.44降至0.32，表明存在解吸强度与能耗的权衡。50–60 °C时能量性能更优，但生产力较低，需根据热源特性优化。
**6.3 传质分析**
吸附动力学受外部对流、颗粒间扩散、颗粒内扩散及盐溶液形成耦合控制。空气流速优化后，表观传质系数k
app = 0.045–0.056 min
?1，对应特征时间18–22 min，支持快速循环。但高流速下平台表明需进一步优化吸附层厚度、颗粒填充和换热器几何结构。
**6.4 当前系统局限性**
冷凝效率仅约60%，因冷凝室设计导致部分水蒸气在非收集表面凝结、滞留及排水不畅，缺乏表面润湿性控制。需重新设计风道、冷板及引入振动电机以改善回收。
**6.5 经济性与可扩展性**
初步成本评估：假设150 kg吸附剂、双床连续运行，CAPEX约23,200 �（吸附剂1,185 �，其余部件22,080 �），OPEX 0.5 c�/L，与压缩式AWH成本相近，表明商业潜力。
**6.6 与其他文献比较**
与现有原型系统相比，本研究SEC为1.7–2.4 kWh/L，热效率0.32–0.44，处于竞争水平。本系统基于可商业化的LiCl/CaCl?–硅胶复合材料，采用简单干浸渍法制备，集成于常规翅片管换热器，兼具可扩展性和工程实用性，主要瓶颈在冷凝回收而非吸附剂本身。
**7. 结论**
本研究对基于LiCl/CaCl?–硅胶复合材料集成翅片管换热器的吸附式大气水收集系统进行了全面实验研究。结果表明：吸附温度是影响热力学性能的最关键参数，从42 °C降至25 °C使水吸附量从约0.42 g/g增至0.72 g/g；解吸温度从60 °C升至90 °C使工作容量从约0.35 g/g增至0.56 g/g，70–80 °C以上增益边际；入口含湿量从7.5增至11.5 g
water/kg
air使吸附量从0.15 g/g增至0.6 g/g。在优化气流条件下（≥0.6 m/s），吸附特征时间稳定在18–22 min，可达每小时3个循环，显著优于传统慢速系统。基于墨西拿气候的理论分析显示，年产量为0.20–0.35 L/kg
sorbent，湿季更高。然而，当前原型冷凝效率仅约60%，表明系统级性能需同时优化冷凝器设计和水管理。本研究证明了吸附-解吸温度、气流条件和循环时长的平衡优化对实现高生产力的重要性，为可扩展SAWH系统提供了实验验证的见解。
