Page 65 - 《精细化工》2023年第6期
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第 6 期 李吉焱，等: 太阳能驱动大气集水：进展与展望 ·1215·
淡水，在解决淡水资源危机方面具有巨大的潜力。 1 基于 SAWH 开发的吸湿材料
SAWH 的基本原理是使用吸湿材料自发地收集
大气中的水，并将其储存在材料内部，有效地利用 吸湿材料在从环境空气中吸收水分的过程中发
太阳光产生热量并作为驱动力促进吸湿材料内水蒸 生物理 [14-16] 或化学 [17-18] 变化，其在基于 SAWH 技术
气的释放，最后将水蒸气通过直接冷凝或其他技术 上充当着极其重要的角色，太阳能驱动蒸发即利用
手段转变成液滴，完成大气中水分的收集。目前， 光热转换材料将太阳能转化为热量，然后热量传递
[4]
太阳能光热蒸发技术进展飞速 ，具有优异性能的 到吸湿材料中以达到吸附水的解吸条件，从而使吸
光热材料层出不穷，如金属纳米粒子、碳材料、聚 附水释放出来。简而言之，就是有效地利用太阳光
[5]
合物等 。此外，界面蒸发技术在水处理领域也具 产生热量来解吸吸湿材料中的吸附水进行大气集
有良好的应用前景，在净水、杀菌等方面发挥着不 水。吸湿材料本身的吸湿性能对 SAWH 最终的产水
[6]
可或缺的作用 ，运用此技术或许会大大提高解吸 效率影响重大 [19] 。因此，寻找吸水倍率高、解吸消
水的质量，使解吸出来的水所含金属离子等参数均 耗能小的亲水材料是学术界共同追求的目标。不难
达到国家规定饮水要求。基于此，SAWH 的发展有 发现，材料的垂直孔道结构与孔隙率、亲水性官能
望得到更大范围的推广，并应用到生活实际中。 团与数目、比表面积与材料吸湿能力之间存在一定
SAWH 的核心部件是吸湿材料，研究人员一直 关系。材料的比表面积越大，材料表面的亲水性官
致力于高效吸湿材料的开发设计。通过梳理 SAWH 能团或内部的活性位点与空气中水分接触的越充
的研究现状，不难发现，理想的吸湿材料应具备以 分，因此，大的比表面积将大大提高材料的吸湿能
下特点：（1）吸水率高、释水能量低、集水-释水速 力；亲水官能团数目越多，结合的水越多，吸湿能
率快；（2）循环稳定性高、工艺简单、廉价、环保、 力越强；孔隙率越大，互相连通的开孔越多，越有
易于规模化生产；（3）宽带的光吸收。基于上述要 利于水分在材料内部的储存与运输，水分的及时扩
点，研究者对吸湿材料不断优化，同时对集水装置 散为其进一步吸附提供了便利。此外，垂直的孔道
进行设计和改进，以更好地实现 SAWH 的应用。然 结构使外表面捕获的水分子迁移距离变短，减少了
而，SAWH 在实际应用中的性能仍然不能令人满意。 与孔隙壁的黏性摩擦，并减少了运动中的水分子之
针对 SAWH 存在的问题，本文在延续前人研究 间的碰撞，顺应水分子的自然迁移，有利于增强水
的基础上，梳理了适应于 SAWH 应用的不同吸湿材 蒸气从材料表面向内部的扩散，有效提高吸湿效果。
料，并对材料的性能进行了比较。分析了不同的 目前，具有代表性吸附材料可分为吸湿盐类、沸石
SAWH 系统，讨论了在不同气候条件下集水系统的 类、硅胶类、金属-有机框架（MOFs）类、复合材
潜在应用，并对这一技术的发展方向进行了展望， 料类等。
为实现 SAWH 的应用推广提供理论指导和技术支持 1.1 吸湿盐类材料
（图 1）。 吸湿盐具有优异的吸水性能和相对较低的成
本，吸湿材料中应用广泛。如将吸湿盐做成颗粒状，
放在衣柜中可用作除湿剂。吸湿盐的吸湿是基于水
合过程，水化以固-固相变的形式进行 [20] 。根据盐类
金属阳离子的不同，吸湿盐类材料主要包括钙盐、
锂盐、钠盐、钾盐、镁盐、铜盐等。
1.1.1 钙盐吸湿材料
钙盐具有成本低的优势，但其溶解性差，长期
使用易出现结晶现象，阻碍其进一步吸湿，这是钙
盐普遍存在的不足之处。溶解性钙盐主要有 CaCl 2 、
Ca(NO 3 ) 2 、Ca(HCOO) 2 •H 2 O。VAINIO 等 [21] 测试出
CaCl 2 可吸收的水分约高达自身物质的量的 10 倍
（体积分数为 30%的水蒸气），但解吸条件高，温度
必须升高到 155~165 ℃才能再结晶形成无水 CaCl 2。
若仅靠太阳能作为唯一能源输入，达到该解吸温度
仍有一定难度。ELASHMAWY 等 [22] 使用浸有质量
分数为 30%的 CaCl 2 溶液的棉布作为吸湿剂，吸附
图 1 SAWH 的研究现状解析图 [7-13]
Fig. 1 Analysis diagram of research status for SAWH [7-13] 饱和后干燥剂质量分数为 56.62%，水产量可达
