基于发泡水凝胶吸附剂的高效太阳能驱动大气水收集技术

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：High-efficiency solar-driven atmospheric water harvesting enabled by foamed hydrogel adsorbents

　　

- 成功制备了分级多孔PHCL泡沫凝胶吸附剂。
- 泡沫结构使吸附-解吸动力学提升了39.3%。
- 闭环强制对流增强了传质与冷凝过程。
- 室内日均产水量达到1.00–2.61 L·m?2·day?1。
- 室外测试表明稳定的产水量为1.51–2.57 L·m?2·day?1。

1. 引言

淡水资源短缺已成为现代社会面临的最严峻挑战之一。统计数据显示，超过40亿人，其中近一半集中在印度和中国等人口稠密国家，每年至少有1个月经历严重的水资源紧张[1],[2]。虽然海水淡化等传统淡水获取技术在一定程度上缓解了这场危机，但它们固有的高能耗和地理限制约束了应用范围[3]。因此，开发新的可持续集水技术至关重要。大气集水技术（AWH）能够从环境空气中直接提取淡水，具有分布式供水的独特优势，被广泛认为是缓解全球水资源不安全问题的有前景的模式[4],[5],[6]。在各种策略中，基于吸附的大气集水技术（SAWH）因其在干旱和半干旱环境（相对湿度<30%）中的卓越效能而引起了密集的研究关注[7],[8]。其基本原理是利用吸湿材料在夜间高湿度条件下从空气中捕获水分，随后在白天通过太阳能热驱动解吸和冷凝，从而实现全天候产水。

吸附剂的吸附/解吸容量从根本上决定了SAWH系统的运行性能。然而，传统的多孔吸附剂，如硅胶和沸石，在低相对湿度干旱环境中的吸水量有限，性能欠佳，导致集水效率低下[9],[10],[11]。因此，将吸湿盐（如LiCl）引入多孔基质（如水凝胶）中以开发复合吸附剂已成为一种有效策略[12]。吸湿盐捕获大量水蒸气，而多孔基质作为盐水储存库，从而显著增强了低湿度条件下的集水性能[13]。例如，Xu等人[14]开发了LiCl@rGO-SA纳米复合材料，在30% RH下实现了1.52 g·g?1的高容量，并在3小时内完成吸附过程，得益于其特殊的垂直通道设计。尽管Song等人[15]开发的Steam-80能够在1小时内完成快速吸附-解吸循环，但由于碳材料的孔隙容积有限，其在30% RH下的平衡吸附容量被限制在0.18 g·g?1。Wilson等人[16]优化了PAM-LiCl水凝胶的建模，并证明了系统优化在提高阿塔卡马沙漠产水量方面的关键作用；然而，其材料在30% RH下的吸附容量仍为0.65 g·g?1。

对于大多数缺乏专用通道结构的大块吸附剂而言，高盐载量往往会降低孔隙率，在材料内部形成致密的传质屏障，阻碍水蒸气的快速渗透和扩散[17],[18],[19]。例如，Li等人[20]开发了PAM-CNT-CaCl?，将吸附容量提高至0.74 g·g?1，但其致密的凝胶结构导致动力学迟缓，限制了实际产水量；Segovia-Sandocal等人[21]开发的LiCl@AC吸附剂在60% RH下吸水量为0.48 g·g?1，但需要超过24小时才能达到平衡；Duan等人[22]提出了LiCl@CC/PAM凝胶，具有不对称双层设计，在30% RH下实现了0.77 g·g?1的吸水量，但水分子迁移仍受到致密聚合物基质内部扩散缓慢的限制。这个问题在实际应用中使用的块状吸附剂中尤为突出，严重限制了SAWH装置的整体效率。Dong等人[23]开发了PAA-CMC-Na/DA-rGO@LiCl复合水凝胶，在25°C及30% RH下实现了0.819 g·g?1的平衡容量。然而，由于块状基质的致密微观结构，仍面临吸附平衡时间较长和渗透路径过长的问题。此外，致密的孔结构往往存在盐溶液泄漏的风险，当吸湿盐捕获的水分超过基质的保留阈值时即可能发生。在小规模实验室样品中，泄漏的盐水可能附着在表面，使准确的性能评估变得复杂；然而，在大规模SAWH系统中，盐泄漏不仅导致吸附剂降解，还会引发装置腐蚀和水质污染[14],[24],[25]。因此，引入发泡技术构建分级多孔结构已成为解决这些挑战的关键途径。此类多孔结构提供了高效的渗透通道，可显著加速吸附动力学，同时其高孔隙率提供了充足的空间来容纳捕获的液体，从而从根本上抑制泄漏。

虽然优化吸附剂材料是根本，但将其成功整合到高效、稳定的SAWH系统中以进行工业规模应用仍然是一个艰巨的挑战[26]。早期研究主要关注被动式集水构型。这些设计利用结构简便和零能耗的特点，通过利用昼夜温差波动证明了提取大气湿气的可行性。然而，被动装置主要依赖自然扩散来捕获水分，这带来了很大的气侧传质阻力，导致运行周期长且日均产水量有限[27]。例如，Kim等人[28],[29]开创性地利用昼夜温差驱动的自然对流设计被动集水器；尽管架构简化，不可避免的气侧传质阻力限制了吸附动力学，MOF-801的日均产水量仅为0.25 L·m?2。Fathieh等人[30]采用性能更高的MOF-303将产量提升至0.40 L·m?2·day?1，凸显了材料优化的巨大潜力；然而，在纯被动运行模式下，自然扩散固有的动力学瓶颈依然存在。Wilson等人[16]通过精细的物理建模优化了被动集水器的空气间隙和几何参数，实现了1.7 L·m?2·day?1的产量。他们的工作突出了结构设计的关键作用，尽管在纯自然模式下克服蒸汽扩散阻力仍然具有挑战性。在热管理方面，LaPotin等人[31]通过复杂的双级结构回收潜热；然而，这增加了制造复杂性和体积成本，实际日均产量达到0.77 L·m?2。为克服扩散限制，Li等人[32]利用空心碳纳米胶囊实现了快速循环，但由于单循环容量有限，日均产水量停滞在1.30 L·m?2。Xu等人[33]开发了高容量LiCl@MIL-101(Cr)复合材料，即使在完全被动条件下也能提供0.70 L·m?2·day?1的产量，进一步验证了复合吸附剂的优越性。因此，实现SAWH系统的实际应用不仅需要能够充分发挥吸附剂吸附潜力的结构设计，还需要系统级别的强制对流集成以及耦合传热传质管理策略。这种综合方法是协同增强蒸汽扩散和冷凝所必需的。

针对大气集水中材料和装置方面持续存在的关键瓶颈，特别是被动吸附依赖性、动力学迟缓导致平衡时间过长，以及缺乏内部主动传质通道的问题，本研究提出了一种将吸附剂性能优化与集成系统设计相结合的综合策略。与以往仅关注材料合成或被动装置架构的研究不同，本工作主要旨在同时解决材料层面的动力学瓶颈和系统层面的蒸汽传输限制。在材料层面，我们开发了一种发泡大孔复合吸附剂，命名为PHCL，其中吸湿盐和光热碳黑被限制在聚合物框架内，从而减轻内部传质阻力，并通过协同毛细作用和网络限域有效消除盐泄漏问题。在系统层面，创新性地设计并构建了一套完全集成的太阳能驱动AWH装置。该集水器采用格栅支撑结构和双窗玻璃设计，配合主动进气系统，实现了装置内吸附剂的高效双面吸附。关键的是，实施了风扇驱动的闭环强制对流系统，同时增强了吸附床内的解吸传质和脱附蒸汽的冷凝效率，从而实现快速淡水收集。结果表明，与未发泡 counterparts 相比，PHCL的吸附容量提高了39.3%。

2. 材料与实验方法

2.1. 吸附剂制备

PHCL泡沫凝胶通过简便且可扩展的工艺合成。化学试剂包括无水氯化锂（LiCl，98%，Aladdin）、丙烯酰胺（AM，99%，Titan Scientific Co, Shanghai）、羟丙基甲基纤维素（HPMC，100000 mPa·s，中连试剂）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA，99%，Titan Scientific Co, Shanghai）、四甲基乙二胺（TEMED，99%，Macklin）和过硫酸铵（APS，98.5%，Macklin），均直接使用。通常，将20 g LiCl溶解在60 mL去离子水中，然后加入10 g AM和0.15 g CB。混合物在270 rpm下磁力搅拌至均匀，然后超声处理10分钟。此后，将0.7 g HPMC、15 mg MBA和60 μL TEMED加入溶液中，以300 rpm持续搅拌至略显粘稠状态。为引发发泡，将混合物转移到顶置式搅拌器上，以1500 rpm搅拌30至40分钟，直至体积膨胀至原来的1.2倍。最后加入150 mg APS并快速混合，将所得泡沫立即倒入模具中，在紫外（UV）照射下聚合约40分钟，得到PHCL泡沫凝胶。

2.2. 材料表征方法

使用SU8600扫描电子显微镜（SEM，Hitachi，日本）表征PHCL的形貌和微观结构。使用紫外-可见-近红外分光光度计（UV-3600i Plus，Shimadzu，日本）在相关光谱范围内测量PHCL的光吸收。在TGA/DSC 3+同步热分析仪（Mettler Toledo，瑞士）上进行热重分析（TGA）。使用比表面积和孔径分析仪（Tristar II 3020/3-Flex，Micromeritics，美国）确定孔径分布和结构参数。在整个实验期间，使用多通道数据记录仪实时监测和记录环境参数，包括温度和相对湿度。

2.3. 仪器与性能测量

为持续监测系统性能，吸附阶段的实验在恒温恒湿箱（H/HWHS-00 L，上海虎生，中国）中进行。部署了两台高精度温度/湿度变送器（HCTR-HTS21D4XX，广州微卓，中国；精度：±0.1°C，±0.8% RH）：一台位于吸附风扇出风口，另一台位于环境空气中。使用热式风速计（HT9829，信思，中国；分辨率：0.01 m·s?1）验证管道出口风速。解吸阶段在氙灯太阳模拟器（SUNTEST XLS+，Atlas，美国）下进行，使用光功率计（CEL-NP2000-2A，北京奥莱，中国；不确定度：< 5%）测量入射太阳辐照度，并与吸热器表面平行对齐。使用精密电子天平（ZG-TP201，松晶，中国；精度：0.1 mg）持续记录吸附剂质量变化和收集水量。使用超细K型热电偶（Kepson，中国；测量不确定度：±0.6°C）记录温度分布：三支嵌入吸附床上四块凝胶块中的三块，一支置于外部测量环境温度，一支附着在冷凝板上。使用两台温度相对湿度变送器（HCTR-HTS21D4XX，广州微卓，中国；精度：±0.1°C，±0.8% RH）追踪内部蒸汽质量传输，安装于保温挡板上的两个内循环风扇进气口。所有温湿度数据使用多通道数据记录仪（TP700，Toprie，中国）以5秒采样间隔持续记录。

3. 结果与讨论

3.1. PHCL的合成与表征

为制备稳定的多孔凝胶，本研究利用羟丙基甲基纤维素（HPMC）的增稠和泡沫稳定性能来延缓水分排出并防止结构塌陷，从而增强泡沫结构的稳定性[34]。据此，合成了PAM-HPMC-CB-LiCl（PHCL）泡沫凝胶，详细过程如图1A所示。首先，将氯化锂（LiCl）、丙烯酰胺（AM）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、四甲基乙二胺（TEMED）和碳黑分散在去离子水中。然后使用高速搅拌引入大量空气，形成均匀稳定的泡沫。随后，加入过硫酸铵（APS）作为引发剂；将所得均匀泡沫倒入模具中并在室温下聚合，得到结构坚固的多孔凝胶（图1B）。该凝胶具有分级互连多孔网络，有利于水蒸气的快速传输和储存。横截面SEM图像（图1C）证实了PHCL泡沫凝胶的互连多孔结构，揭示了大量微米级孔隙，作为高效的蒸汽传输通道。构成这些微观空隙的孔壁提供了优异的机械支撑和结构完整性[35]。与未发泡 counterparts 相比，PHCL吸附剂表现出显著加速的吸附动力学，并有效消除了持续的盐水泄漏问题（图S1）。

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图1.

PHCL的设计与表征。(A) PHCL的合成过程。(B) PHCL的数码照片。(C) PHCL水凝胶表面的SEM图像。(D) PHCL与不含HPMC的参考水凝胶的TG曲线。(E) PHCL截面的EDS元素面分布。(F) PHCL泡沫的孔径分布。(G) PHCL的紫外-可见-近红外吸收光谱。为了阐明复合凝胶的持水与释水行为，进行了热重（TG）和导数热重（DTG）分析。如图1D所示，含HPMC样品在初级脱水阶段表现出明显更陡峭的TG曲线，与不含HPMC的凝胶相比。这一趋势在DTG曲线中更为直观地体现出来，其中HPMC改性样品的最大失重速率明显更高，同时峰温向较低值偏移（图S2）。这一现象主要归因于HPMC固有的热响应特性。加热时，在增强的疏水相互作用和减弱的分子间氢键的协同作用下，HPMC分子链发生构象转变。这种转变将聚合物网络的两亲-疏水平衡向疏水性方向移动，诱导链聚集和网络致密化，从而加速水分子从凝胶基质中的脱附[10], [36], [37], [38]。对PHCL截面进行能量色散X射线光谱（EDS）分析（图1E），证实了碳粉和吸湿性LiCl盐在聚合物基质中的均匀分布和整合，确保了稳定高效的光热转换和水分捕获。图1F显示，PHCL凝胶的主要孔径为6 μm。这些微米级多孔结构最大限度地减少了凝胶内部的水蒸气扩散阻力，确保了吸湿盐与空气的充分接触，从而显著增强了吸附和脱附的动力学。此外，光热表征（图1G）表明，PHCL复合凝胶在整个太阳光谱（250–2500 nm）范围内实现了96.8%的超高吸收率，这主要归因于碳组分固有的高效光热转换特性。这一特性使材料在自然太阳辐射下能够达到高温，为高效吸附剂脱附提供了强大的驱动力。3.2. 吸附与脱附性能为了系统地评估平衡水分捕获能力，使用静态体积蒸气吸附分析仪（ASAP 2020，美国Micromeritics Instrument Corp.）在25 °C下测量了PHCL的静态水蒸气吸附等温线。测量前，样品在高温真空条件下脱气，以去除预先吸附的水分并获得准确的干质量。使用纯水蒸气作为吸附质，在精确控制水浴温度为25 °C的条件下，在相对压力（P/P0）从0.05到0.80的范围内记录平衡吸附点。重量水吸附量（qads）和体积水吸附量（qv）由公式(1)、(2)定义：(1) qads=(m_wet?m_dry)/m_dry (2) qv=(m_wet?m_dry)/V_dry 其中，m_wet（g）和m_dry（g）分别代表吸水后湿吸附剂的总质量和干吸附剂的初始质量；V_dry（cm3）是干吸附剂的体积。图2A展示了LiCl基复合材料典型的三阶段吸附特征。初始阶段以化学吸附为主，水分子通过与Li?/Cl?离子的强配位作用形成晶体LiCl·H?O水合物。随着相对湿度增加，材料进入潮解阶段，表面晶体水合物溶解成局部高浓度盐水溶液。最后，在高湿区域，该过程转变为由溶液浓度梯度控制的吸收机制。这种多面机制赋予了材料在宽湿度范围内出色的水分吸附能力，在30%、45%、60%、75%和90% RH下达到1.01、1.34、1.79、2.61和3.29 g·g?1的平衡吸附容量。相应地，体积吸附容量达到0.24、0.32、0.43、0.55、0.85 g·cm?3（图S3）。表S1汇总了25 °C下代表性材料之间平衡水吸附量的综合比较。PHCL在30–90% RH范围内表现出具有竞争力的吸附能力。为了阐明发泡多孔结构对吸附性能的贡献，在25 °C和75% RH下对发泡和非发泡凝胶吸附剂进行了对比研究。将尺寸为2.4 × 2.4 × 0.4 cm3的样品在温度和RH可控模拟器中（温度波动在±0.5 °C以内，相对湿度在±2.0% RH以内）进行600分钟的吸附过程，以模拟夜间水分收集。为评估测量精度，对多个采样点（n = 5）的尺寸公差进行了分析。考虑到±0.05 cm的线性尺寸公差（长度为宽度的2.08%，厚度为12.5%），标准误差传播分析表明，累积体积不确定度（ΔV/V）约为±12.8%（V = 2.304 ± 0.29 cm3）。关键的是，主要重量指标（g·g?1）是使用高精度分析天平（±0.1 mg精度，相对不确定度<0.1%）获得的，确保了核心脱附动力学保持高度严谨，不受几何测量公差的影响。如图2B所示，发泡和非发泡吸附剂在600分钟时的吸附容量分别为2.55和1.83 g·g?1。值得注意的是，发泡凝胶的吸附容量比非发泡凝胶提高了39.3%。得益于这些结构优势，PHCL在广泛的湿度水平范围内表现出超高的吸附容量和快速的动力学。如图2C所示，在30%、45%、60%、75%和90% RH下，600分钟时的吸附容量分别达到0.95、1.24、1.76、2.55和3.29 g·g?1。这一性能突显了材料在不同环境条件下卓越的水分捕获效果，强调了其实际应用的重要潜力。下载：下载高分辨率图片（790KB）下载：下载全尺寸图片 图2. PHCL的水吸附和脱附性能。(A) 25 °C下PHCL的水吸附等温线。(B) 25 °C和75% RH下发泡和非发泡PHCL的动态水吸附过程。(C) 25 °C和30%、45%、60%、75%及90% RH下PHCL的动态水吸附过程。(D) 不同环境温度及RH下PHCL的热脱附过程。(E) 在相同环境温度及太阳辐射强度下，添加碳和未添加碳凝胶的温度对比。(F) 室内条件下及不同太阳辐射强度下PHCL的太阳能驱动脱附。(G) 在相同温度25 °C及30%和75% RH下大块PHCL的动态水吸附过程。(H) 25 °C和75% RH下双面和单面大块PHCL的动态水吸附过程。(I) 25 °C、2.85 kPa吸附和80 °C、1.9 kPa脱附条件下PHCL的11次水吸附-脱附循环测试。为了系统地评估PHCL的脱附性能，我们首先研究了其热驱动的水释放行为。将初始水吸附量为2.5 g·g?1的发泡凝胶样品（2.4 × 2.4 × 0.4 cm3）在1.90 kPa水蒸气分压（25 °C，60% RH）下进行脱附。使用公式(3)量化热脱附效率（ηdes）：(3) ηdes = (q??q?)/q? × 100% 其中，q?（g·g?1）是脱附前吸附剂的初始水吸附量，q?（g·g?1）是脱附时间t时剩余的水吸附量。如图2D所示，材料表现出快速的脱附动力学，在80 °C下2小时内释放出2.28 g·g?1的水，对应88.72%的脱附效率，并在240分钟内实现近乎完全的脱附。值得注意的是，即使在50 °C下，2小时内的脱附效率也超过76%。这些结果表明，PHCL在相对较低的温度下表现出卓越高效的脱附性能。为了探索PHCL用于太阳能驱动应用的潜力，我们进一步表征了其光热转换性能。在1 Sun模拟太阳照明下，使用温度传感器记录了样品在开放环境中的温升曲线（图2E）。结果显示，含碳PHCL样品的温度迅速上升，在30分钟内达到约65 °C的稳定值，而未添加碳黑的对照组样品仅达到45 °C。这种对比突显了碳组分在促进高效光热转换方面的关键作用。基于这些发现，进行了太阳能驱动脱附测试。如图2F所示，对于初始吸附量为2.5 g·g?1的PHCL样品（2.4 × 2.4 × 0.4 cm3），在0.6、0.8、1.0和1.2 Sun条件下240分钟内重量脱附容量分别达到2.16、2.27、2.29和2.33 g·g?1。相应地，体积脱附容量为0.59、0.62、0.63和0.64 g·cm?3（图S4）。即使在0.6 Sun的低辐射强度下，吸附剂仍保持86.4%的脱附效率。这表明当日照辐射强度超过0.6 Sun时，PHCL捕获的大部分水分可以被有效回收，从而延长了收集装置的操作窗口。为了评估PHCL在实际应用中的性能，在25 °C、30%和75% RH条件下对大规模块状吸附剂（10.5 × 10.5 × 1 cm3）（图S5）进行了吸附测试。如图2G所示，单面（单面接触）条件下的吸附容量为0.59 g·g?1和1.22 g·g?1。与相同条件下的小样品相比，这些数值分别衰减了38%和52%。这种衰减主要归因于大规模吸附剂中显著延长的传质路径，增加了传质阻力。此外，表层经历快速的水分诱导溶胀，而未溶胀的干燥内核限制了内部基质。这种差异在凝胶网络内产生了强大的压缩应力场，限制了聚合物基质的进一步膨胀和传质[39], [40]。进一步分析了单面与双面（双侧面）吸附对性能的影响。如图2H所示，双面条件下的最终吸附容量达到1.6 g·g?1，体积容量为0.4 g·cm?3（图S6），比单面吸附提高了31%。这种提升归因于双面暴露有效地将传质距离缩短一半，同时将蒸气交换表面积加倍，从而显著加速了吸附动力学。这些结果表明，在实际装置设计中实施双面暴露架构可以有效缓解块状吸附剂的传质限制。循环稳定性是吸附剂实际可行性的关键决定因素。因此，对PHCL进行了11次连续吸附-脱附循环测试（图2I），吸附条件为25 °C、2.85 kPa，脱附条件为80 °C、水蒸气分压1.90 kPa。结果表明，经过11次循环后，平衡吸附容量保持稳定且无衰减，表明具有出色的循环耐久性。这种耐久性主要由亲水性聚合物骨架与吸湿盐离子之间的强离子-偶极相互作用和氢键控制，有效地锚定盐离子并抑制了重复潮解和脱水过程中的微相分离或浸出[41]。此外，具有弹性的交联多孔网络有效地缓冲了循环水合-脱水过程中的周期性渗透压和体积膨胀或收缩，从而在不发生断裂的情况下保持结构完整性[42]。因此，这些综合的分子和结构特征确保了盐分的长期保留和机械强度，使PHCL成为大气水收集的耐用候选材料。3.3. 室内水收集实验现有的收集器主要依赖由浓度梯度驱动的被动蒸气扩散，导致传质效率有限，阻碍了吸附剂吸附潜力的充分利用[15], [28]。为了解决这些缺陷，本研究设计并构建了一种新颖的太阳能驱动间歇式SAWH装置，整体尺寸为28 × 28 × 10 cm3。该装置采用2 cm厚的隔热壁框架以最大限度地减少侧面热损失，提供24 × 24 cm2的有效内部工作面积。通过集成内部循环系统，该装置强化了蒸气传输并促进高效脱附。如图3A和图S7所示，该装置由几个核心组件组成，包括双玻璃盖板、装载136.97 g吸附剂的24 × 24 × 5 cm3吸附床、24 × 24 × 1 cm3脱附室、配备28 × 28 cm2裸铝冷凝板（背后有35片散热鳍片）的24 × 24 × 1 cm3冷凝室、两个额定功耗为1.3 W的25 × 25 × 10 mm内部轴流风扇，以及一个最大风量为125 m3·h?1、额定功率为14 W的可调外部吸附风扇。系统以夜间吸附和日间脱附的间歇循环方式运行。在夜间吸附阶段，内部循环风扇被关闭。相反，吸附风扇以14 W启动。环境空气由风扇驱动通过吸附床，吸附剂捕获部分水蒸气，干燥后的空气随后排出。为确保吸附床中的吸附均匀性，基于气流模拟优化了进气口配置。选择了两侧略微倾斜的出口和中间直进口气的布局，以实现均匀的气流分布（图S8）。在过渡到日间脱附阶段时，吸附进气口和排气口被封堵形成封闭系统。

吸附床在配备AM 1.5G滤波器的Atlas太阳模拟器（AMETEK公司，美国）提供的太阳辐射下迅速升温，该设备的垂直位置通过校准后的太阳辐照度计精确调节，在床面上提供1.0 kW·m?2的中心辐照度，从而触发水分释放。与此同时，内部循环风扇将热湿气从解吸腔输送至较冷的冷凝腔，水蒸气在冷凝器表面凝结成液态水。冷凝水通过位于冷凝板角落的排水口在重力作用下排出（图3A），经由柔性管流入收集瓶，其质量使用电子天平（精度：±0.01 g）连续记录。

图3. 室内制水实验验证与优化。（A）太阳能大气水收集装置示意图。（B）PHCL装置在不同吸附风速下的集水量。（C）PHCL装置在风速6 m·s?1、温度25 °C以及30%、50%、75%相对湿度条件下的集水量（每个相对湿度条件下的两根柱状图代表两个独立的重复实验）。（D）PHCL装置与文献中报道的其他SAWH装置的集水量比较[15,16,20,28,31,32,33]。（E）PHCL装置在不同位置、1倍太阳辐射下的温度变化。（F）解吸腔和冷凝腔中的相对湿度变化。

为最大限度地减小水凝胶表面的外部边界层传质阻力，吸附阶段采用了湍流对流条件。流体动力学计算确定了4 m·s?1、6 m·s?1和8 m·s?1的空气流速，对应的体积流量分别为10.18、15.27和20.36 m3·h?1，雷诺数约为7700、11500和15400。这些数值远超湍流管流的临界阈值，从而确保了对水凝胶界面进行鲁棒的对流传质。采集装置的日产水量（P_daily，L·m?2·day?1）按照公式（4）定义：

(4) P_daily = m_water / (ρ_w · A_bed)

其中m_water（kg）为收集的液态水质量，ρ_w（kg·L?1）为液态水密度（1.0 kg·L?1），A_bed（m2）为吸附剂床的有效面积（0.0576 m2）。

在25 °C、75% RH条件下吸附后于1倍太阳辐射下解吸的收集性能评估中，4、6和8 m·s?1下的日产水量分别为2.27、2.61和2.54 L·m?2·day?1（图3B）。将空气流速从4提高到6 m·s?1会减薄外部边界层膜并增加对流蒸气供应。在此区间内，外部传质主导整体吸附动力学，从而将日产水量从2.27提高至2.61 L·m?2·day?1。然而，将流速进一步增加至8 m·s?1则大幅降低了湿气流的停留时间。缩短的接触时间使气相无法接近与氢凝胶活性位点的局部吸附平衡，从而抵消了更高通量的益处，导致产水量平台在2.54 L·m?2·day?1。因此，6 m·s?1被选定为该装置的标准吸附风速。利用这些优化的操作参数，进一步表征了不同湿度环境下的收集性能。在25 °C、30%、50%和75% RH条件下进行了12小时吸附实验，每个条件进行重复实验。如图S9所示，平均吸附容量随相对湿度的升高而增加，达到0.85、1.21和1.68 g·g?1；平均日产水量分别为1.00、1.65和2.61 L·m?2·day?1（图3C）。值得注意的是，即使在干旱条件（30% RH）下，该装置仍保持了1.00 L·m?2·day?1的产水量，证明了PHCL材料和收集装置架构在宽湿度范围内的强适应力。产水速率分析（图S10）显示，在所有湿度水平下，峰值收集速率在开始照射后约2小时出现，且在75% RH下的速率显著高于较低湿度水平。此外，累积产水分析（图S11）表明，约80%的总水量在前5小时内收集完成，突出了该系统快速而高效的提取动力学。该性能超越了同类中此前报道的SAWH装置（图3D）。

为深入了解收集器的高性能机理，系统地监测和分析了内部热量和质量传递过程。以75% RH条件为代表案例（图3E，其他条件见图S12），吸附剂温度在仅1小时照射后从35.5 °C飙升至67.5 °C，最终达到约91.6 °C，这得益于PHCL卓越的光热转换效率和双层玻璃架构。同时，通过内部空气循环、翅片结构和外部强制对流传热的协同作用，系统在保持冷凝器温度为44.4 °C的同时维持了解吸腔70.4 °C的相对较高温度。这一温差确保了吸附剂的彻底解吸，同时促进了冷凝腔中的完全冷凝。通过监测冷凝腔进出口的温度和相对湿度，进一步阐明了传质过程。如图3F所示，冷凝腔入口空气平均为68.26 °C和39.53% RH，经过冷凝器后，出口空气达到42.32 °C和82.11% RH，表现出典型的高湿度饱和特征。尽管入口相对湿度较低，但其对应的水蒸气分压（Pv）约为11.38 kPa，显著高于出口记录的6.83 kPa。水蒸气分压（Pv）和冷凝腔的压差（ΔPv）按照公式（5）、（6）计算：

(5) Pv = RH × P_sat(T)

(6) ΔPv = Pv,in ? Pv,out

其中RH（%）为相对湿度，P_sat(T)（kPa）为温度T下的饱和蒸气压，Pv,in和Pv,out（kPa）分别代表冷凝腔入口和出口的水蒸气分压。

这一巨大的蒸气压差（ΔPv≈4.55 kPa）构成了持续相变冷凝的核心热力学驱动力。其他条件下的湿度和温度曲线见图S13。此外，冷凝器的湿度比（ω）和湿度比差（Δω）通过公式（7）、（8）表示：

(7) ω = 0.622 × Pv / (Patm ? Pv)

(8) Δω = |ω_out ? ω_in|

其中Patm（kPa）为环境大气压（101.325 kPa），ω_in和ω_out分别代表冷凝腔入口和出口的湿空气湿度比。

研究发现，湿度比差（Δω，图S14）的演变与产水速率高度吻合，证实该参数是实时收集效率的可靠指标。此外，露点分析（图S15）显示，入口平均露点温度（Tdp）为41.1 °C，持续高于34.1 °C的冷凝板温度。这一稳定的热裕度确保了腔内持续稳定的冷凝。这些结果突出了集成PHCL吸附剂和内部循环系统的独特优势，该系统建立了高效稳定的主动蒸气扩散路径，使装置能够在从干旱到湿润的广泛气候范围内实现高产水率。

为量化内部循环驱动的质量传递增强效果，对解吸腔进行了流体动力学计算。两个内部风扇（各1.91 CFM）驱动空气通过双圆形通道，建立了连续的.internal对流回路。每个通道内的平均空气流速（v_int）达到1.84 m·s?1，对应的内部雷诺数（Re_int）为2565（D_h = 0.025）。基于Sherwood关系（Sh = 0.664·Re^(1/2)·Sc^(1/3)），主动对流传质系数（k_c,forced ≈ 0.0309 m·s?1）几乎是被动分子扩散（k_c,diff ≈ D_v/δ ≈ 0.0026 m·s?1）的12倍。该主动回路破坏了停滞的蒸气边界层并防止局部积聚，驱动蒸气快速向冷却板传输。

为评估PHCL装置的能量消耗和热力学性能，量化了辅助电能和入射太阳热能。每个运行周期的日辅助电能消耗（E_elec，kWh）计算如下：

(9) E_elec = P_ads · t_ads + 2 · P_circ · t_des

其中P_ads（14 W）和P_circ（1.3 W）分别代表外部吸附风扇和每个内部循环风扇的额定电功率。在夜间吸附阶段运行t_ads = 12 h，白天解吸阶段运行t_des = 7 h，总日辅助能耗（E_elec）计算为0.1862 kWh。

在1倍太阳辐照下向吸附床（A_bed = 0.0576 m2）提供的入射太阳能输入（E_solar，kWh），在7小时的解吸过程中表达为：

(10) E_solar = I_solar · A_bed · t_des

得到E_solar = 0.4032 kWh（1.4515 MJ）。系统总能量输入（E_total）为E_solar + E_elec = 0.5894 kWh（2.1218 MJ）。

为量化每单位收集水所需的能量，评估了总比能耗（SEC）、比电能消耗（SEC_elec）和整体系统能效（η_sys）：

(11) SEC = E_total / V_water = (E_solar + E_elec) / V_water

(12) SEC_elec = E_elec / V_water

(13) η_sys = Q_out / E_total × 100% = (m_water · h_fg) / (E_solar + E_elec) × 100%

其中V_water（L）和m_water（kg）分别为收集的液态水体积和质量，h_fg为水的汽化潜热（≈2.42 MJ·kg?1）。

在75% RH（V_water = 0.1504 L）条件下，总比能耗（SEC）为3.92 kWh·L?1（包括2.68 kWh·L?1的太阳热能和1.24 kWh·L?1的电能），对应的整体系统能效（η_sys）为17.15%。在30% RH（V_water = 0.0576 L）条件下，总SEC和SEC_elec分别为10.23 kWh·L?1和3.23 kWh·L?1，η_sys为6.57%。

在工程可行性方面，该装置展示了出色的实用性和经济可行性。尽管集成了分体式解吸/冷凝腔和主动气流循环网络，原型机仍保持紧凑，具有良好的模块化可扩展性和便携部署潜力。表S2提供了装置的成本明细评估，其中核心PHCL氢凝胶吸附剂的原材料成本仅为3.80美元，其他硬件组件成本为60.66美元。考虑到氢凝胶吸附剂的出色长期循环耐久性以及未来工业化大规模生产预期带来的结构性成本大幅降低，平准化水成本（LCOW）预计将进一步下降。这为偏远和干旱地区的分散式淡水供应提供了一种高效、低成本且可持续的技术解决方案。

为明确突出本设计的系统级工程进步，表1详细比较了本分体主动PHCL装置与近期报道的主动SAWH收集器，涵盖架构、热管理策略、比电能消耗（SEC_elec）和硬件成本。传统主动系统通常依赖高功率鼓风机、制冷辅助冷却或复杂的热调节策略来提高产水量，这不可避免地增加了能耗、系统复杂性和经济成本。相比之下，双腔室架构物理分离了解吸腔和冷凝腔，有效消除了直接热干扰。此外，低功率内部循环策略促进了快速蒸气传输并提高了冷凝效率。因此，PHCL装置实现了1.24 kWh·L?1的低电能消耗和64.46美元的降低原型成本，展示了在收集性能、能效和实用可扩展性之间的优化平衡。

表1. 主动SAWH系统的结构和性能比较。

| 系统 | 吸附模式 | 结构 | 热管理策略 | 比电能消耗（SEC_elec） | 成本 | 特点 |
|------|---------|------|-----------|----------------------|------|------|
| 制冷辅助主动SAWH（Min等[43]） | 主动（高功率鼓风机） | 集成腔室和TEC模块 | 依赖高耗能热电冷却器（TEC）模块强制维持冷凝器温度 | 高（> 3.00 kWh·L?1） | 高（> 200美元） | 日产水量高，但严重依赖外部电网和昂贵的冷却组件，大大降低了便携性。 |
| 主动MOF收集器（Kim等[29]） | 主动（太阳能风扇） | 多通道气流腔 | 气流携带解吸蒸气，但腔内仍存在局部热积累 | 中等（～1.80 kWh·L?1） | 高（> 300美元） | 优异的低温湿度吸水性能，但吸剂材料成本过高阻碍了大规模分散式部署。 |
| 本工作 | 主动（双微型风扇） | 分体式双腔室 | 物理分离完全阻断了解吸床向冷凝板的直接热串扰 | 低（1.24 kWh·L?1） | 低（64.46美元） | 无需电动制冷即可消除热泄漏，实现了快速动力学、高效能和便携性的最佳平衡。 |

3.4 室外制水实验

为验证太阳能驱动制水装置的实际性能，进行了为期五天的室外实地测试。原型机照片见图4A。测试期间，同时记录了温度、相对湿度和太阳辐照度等关键运行参数。图4B展示了吸附阶段装置进出口的温度和湿度曲线。在入口条件约为15 °C、80% RH的情况下，出口空气表现出温度升高和湿度降低的现象，这可归因于水分捕获和伴随的吸附热释放。为全面评估装置的气候适应性，选择了从低辐照到高辐照的各种典型气象场景。根据日均太阳辐照度，测试日分为低辐照条件（阴天：592.94 W·m?2，多云：629.91 W·m?2）和高辐照条件（晴天：772.22–963.97 W·m?2）。夏季太阳辐照度和内部温度分布如图4C所示。

尽管前两天为阴天，后续实验均在晴天条件下进行。太阳辐射峰值达到1444.47 W·m?2，日均辐射量为963.97 W·m?2。辐射峰值通常出现在中午12:00左右，持续时间较短。在整个实验过程中，利用集成传感器对关键温度进行实时监测。在解吸阶段，吸附剂温度随着吸收太阳热能而稳步上升，最高达到71.8°C。吸附剂与冷凝器之间的平均温度梯度达到22.4°C，为有效解吸提供了强有力的驱动力。不同天气条件下的解吸效率（图S16）表明，该装置在晴天达到了50%的解吸率，阴天条件下保持在31%。这些结果证实了该系统能够在多样化的辐射环境中实现有效的水分回收，展现出卓越的环境适应性。

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图4. PHCL的户外产水演示。（A）装置运行时的照片。（B）五天实验期间，夜间测量了装置入口和出口的相对湿度与温度。（C）五天野外测试期间的太阳辐射和运行温度的日变化。（D）五种代表性气象条件下的日产量。从左到右，各柱状图分别对应阴天（592.94 W·m?2）、多云天（629.91 W·m?2）以及三个不同晴天，平均太阳辐射量分别为963.97、902.68和772.22 W·m?2。（E）晴天（平均太阳辐射：772.22 W·m?2）PHCL装置的集水速率。（F）所收集水中可能存在的离子浓度与世界卫生组织（WHO）制定的饮用水标准的对比。

集水结果表明日产量与气象条件之间存在强相关性（图4D）。在上述天气条件下，日产量分别达到1.51、1.80、2.16、2.37和2.57 L·m?2·day?1。虽然在晴天实现了最高的产量，但即使在太阳辐射减弱的阴天条件下，装置仍能保持1.51 L·m?2·day?1的稳定产量。以平均辐射量为772.22 W·m?2的晴天作为代表性案例，我们进一步分析了产水速率（图4E）。装置启动后迅速进入高效采集阶段，在第2至第4小时内，平均产速保持在25.8 g·h?1。虽然此峰值速率低于室内受控实验中观测到的速率，但高效产水阶段的持续时间明显更长。随后，由于太阳辐射的衰减以及吸附剂内易解吸水分的消耗，从第4小时开始产速逐渐下降，到第7小时时降至5.35 g·h?1。此外，我们利用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）和离子色谱法测量了收集水中的离子浓度，以评估水质。结果表明，利用PHCL提取的水符合世界卫生组织（WHO）的饮用水标准（图4F）。

综上所述，所开发的装置在多样化的实际天气条件下表现出稳定的集水性能和强大的环境适应性，凸显了其在实际应用中具有的巨大潜力。

4. 结论

本研究提出了一种从材料到系统的系统化解决方案，旨在解决吸附式大气集水（AWH）中的关键瓶颈问题，包括传质限制和系统性低效。通过将吸附剂架构创新与强化型热设备设计协同耦合，可得出以下主要结论：

（1）在材料层面，通过简便的搅拌发泡工艺成功制备了具有分级互联多孔结构的PAM-HPMC-CB-LiCl（PHCL）发泡凝胶吸附剂。独特的发泡结构最小化了内部蒸汽扩散路径，与非发泡材料相比，吸附-解吸动力学提高了39.3%，同时在宽湿度范围（30%-90% RH）内实现了高吸水率（0.95–3.29 g·g?1），并在11次连续循环中表现出优异的防泄漏耐久性。

（2）在系统层面，集成了内部空气循环系统的太阳能驱动间歇式集水器成功突破了传统传质边界。通过利用风扇驱动的闭环强制对流，该配置有效降低了气侧边界层阻力，从而显著强化了解吸传质和蒸汽冷凝效率。

（3）性能评估展示了卓越的产水能力和户外适应性。室内测试在25°C、30%–75% RH条件下实现了1.00–2.61 L·m?2·day?1的日产水量。更重要的是，随后的五天户外野外测试验证了其强大的环境适应性，在不同气象条件下稳定产出1.51–2.57 L·m?2·day?1的高淡水产量。

总体而言，这一从高性能发泡凝胶吸附剂到高效蒸汽对流系统的整体策略提供了一套可推广的工程蓝图，为适用于干旱和半干旱地区的高效、可持续大气集水技术奠定了坚实基础。

CRediT作者贡献声明

陆前辉：撰写—初稿、方法论、数据整理。周龙坤：指导、资源、调查研究。王家云：撰写—审阅与编辑、概念设计。

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