基于吸附的大气集水(SAWH)作为未来的水和能源平台受到了前所未有的关注。然而，在材料和组分水平上缓慢的吸附动力学以及低效率的冷凝仍然限制了SAWH系统的水生产力。本文报道了一种简单的方法制备吸湿互联多孔凝胶(HIPG)，该凝胶具有快速的吸附-解吸动力学，高可扩展性和稳定性，以及强粘附性能，用于高效的SAWH。我们进一步设计了一个太阳风耦合驱动的SAWH装置，通过协同加热和质量增强来实现连续产水。聚光有利于协同增强脱附冷凝，引入自然风驱动装置运行，提高吸附动力学。这项工作为实现离网干旱地区高效、可持续的清洁供水提供了一条新的途径。
机理
采用泡沫干燥法制备了由羟丙基甲基纤维素(HPMC)和聚丙烯酸钠(PAAS)基质、氯化锂(LiCl)和光热组分氮化钛(TiN)纳米颗粒组成的HIPG，节省了时间，适合大规模生产。生成的具有高孔体积和分层孔隙的互连多孔结构降低了HIPG内部的水蒸气扩散阻力，加速了水蒸气的输送，从而导致了快速的吸附和解吸动力学。
制备
HIPG的合成:优化HIPG的化学成分比例，以实现高效的连续SAWH(详见补充说明6)。在典型的合成中，先将540 mg TiN粉和6 g LiCl粉通过超声处理分散在50 mL去离子水中0.5 h，然后将1.5 g HPMC缓慢加入悬浮液中，以800 rpm的转速机械搅拌，使溶液发泡15 min。将3 g PAAS缓慢加入混合溶液中，以1500 rpm的转速机械搅拌1 h，使前驱体溶液发泡均匀。将制备好的泡沫凝胶倒入尺寸为100 × 50 × 3mm的模具中，在90℃下干燥3h，得到HIPG。
图解
图1:HIPG的设计与表征。A HIPG的结构示意图和HIPG内部的水汽输送。B, C HIPG的俯视图(B)和高倍放大(C)的SEM图像。D, E HIPG的横截面视图(D)和高倍放大(E)的SEM图像。F HIPG的孔径分布。G设置在接收腔内的探测器对不同多孔基质检测到的PM2.5和PM10浓度随时间的变化。H HIPG在~23℃，~60% RH下的FTIR图。I各组分和HIPG在不同温度下的XRD谱图。
图2：HIPG的吸水和解吸性能。A 25℃时HIPG和PAAS的吸水等温线。B相同温度为25℃，RHs为30%、45%、60%、75%、90%时散装HIPG的动态吸水过程。C 25℃、60% RH条件下单面吸附和准双面吸附动态过程的实验和模拟结果。通过除以平衡吸附容量，将吸水量归一化。D HIPG的紫外-可见-近红外吸收光谱。E在相同的环境温度和相对湿度以及不同的太阳辐照强度下，在25℃，60% RH条件下具有吸附平衡的HIPG的太阳能驱动解吸过程。F水蒸气压为1.90和3.17 kPa时HIPG的解吸水等压线。G HIPG在25℃，60% RH (1.90 kPa)条件下的吸附和90℃，4.2% RH (3.17 kPa)条件下的解吸循环试验30次。H本体HIPG与其他新型盐基复合吸附剂的吸水性能比较。湿度计图显示了连续SAWH装置在有和没有太阳能集中的情况下的水解吸-冷凝过程。
图3：设计了太阳风耦合驱动的连续式集水机。A连续式SAWH装置的结构示意图。B . HIPG在各种基材上的附着力，包括铝、不锈钢、硅玻璃、亚克力、木材、聚四氟乙烯(重量:大件:100g;小的:20克)。C连续式SAWH装置在解吸冷凝过程中的传热分析。
图4：太阳风耦合驱动连续式集水机的优化与性能研究。A连续锯切设备的数码照片。1个支架，2个光伏板，3个集水器，4个遮光板，5个遮光棉。标尺长度:5厘米。B不同太阳强度下采水试验中吸附剂和冷凝器外表面达到热平衡后的温度。误差条:标准差(SD)。c不同太阳照射强度下收集的水在8小时室内测试中的质量变化。D在8小时的室内试验中，4个太阳下不同循环次数收集的水的质量变化。E循环时间为30分钟的连续SAWH装置在8小时室内试验4个太阳下不同位置的温度演变。F和G解吸缩合过程的模拟结果。温度(F)和水汽分压(G)在设备内的分布。H连续式SAWH装置在7天周期内4个太阳下的产水量和产水速率。I .本装置与其他太阳能驱动水暖装置集水性能比较[j]。
图5：太阳风耦合驱动连续SAWH装置的室外试验。A自然太阳辐照强度(无浓度)、风速、环境温度和相对湿度在3小时室外测试中的演变。B在3小时的室外试验中，冷凝器内空气、冷凝器外表面空气和环境的温度演变。C室外试验3小时的累计比水量和出水量。D .我们的连续式SAWH设备与其他先前报道的最先进的太阳能驱动连续式SAWH设备的产水量比较。
结论
我们报道了一种简单且可扩展的策略来制备吸湿互联多孔凝胶(HIPG)，该凝胶具有快速的吸附-解吸动力学，强粘附性能和可靠的保水性，适合连续的大气水收集。高孔体积的互连多孔结构和分层孔隙有效降低了HIPG内部的水蒸气扩散阻力，从而加速了水蒸气的输送，实现了快速的水捕获和释放特性。结果表明，在90% RH条件下，HIPG的吸水率高达6.83 g g−1，在25℃、30%、45%、60% RH条件下，30 min内可捕获平衡吸水量的93.2%、80.5%和76.4%，在1次太阳照射下30 min内可释放平衡吸水量的87.7%。在此基础上，我们进一步设计了一种采用强化传热传质设计的太阳风耦合驱动的连续SAWH装置。提出了高效太阳能集中策略，以实现协同解吸和冷凝，加速水循环，提高水生产力。引入风能作为装置的动力，加快了吸附床的吸附动力学。我们的工作为离网和干旱地区实现高效和可持续的清洁供水提供了一种潜在的方法。
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原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52137-4
