碳语技术博客之|MOF除湿应用于空气取水

前言

水是生产生活的重要资源，然而地球上可直接使用的淡水仅占总水量的0.02%，世界上三分之二的地区面临着缺水困境。为了保证日常生活，过去的几十年中，人们开发了从河流、海洋中制取清洁淡水，以及从工业废水中净化回收淡水的方法。但对于一些本身降雨少、远离自然水源的干旱地区来说，缺水问题依然严峻，因此空气取水技术应运而生。本文通过阐述各缺水地区的特点，对几种传统制取淡水的技术进行比较，说明了空气取水技术的优越之处；接着进一步对空气取水技术的原理与分类进行说明，为读者阐明为何MOFs适用于此应用领域，并跟进了相关领域的前沿研究；最后简单介绍了国内外部分以空气取水作为核心技术的企业及相关产品，旨在帮助读者扩展对MOFs应用场景的认知，更加深入了解MOFs对水蒸气的吸附特性。

分类话题：MOFs金属有机框架 除湿 干燥剂 水蒸气吸附 空气取水 水处理 淡水制取

01 空气取水的必要性

1.1 缺水情况概述

根据联合国发布的《2023年世界水资源发展报告》内容显示，在过去的40年中，全球用水总量每年约增长1%，用水量增长主要集中在发展中国家，并且由于气候变化，水资源丰富的地区还会出现季节性缺水，而缺水地区情况则会更加恶化，预计到2050年时，大约全球10%的人口将会生活在严重缺水的环境中。由于地理位置、气候与经济条件的差异，缺水地区主要分为三种类型：资源型缺水、水质性缺水与工程型缺水。

资源型缺水指由于水资源分布具有地域性差异，导致缺水地区水资源可利用量小于需求量。在我国，资源型缺水地区大多分布在西北地区、华北地区以及辽东半岛等地区；世界范围内的资源型缺水地区有北非、中东、美国西北部、南撒哈拉等等。为了缓解这些地区的用水紧张，除了提高水资源利用效率之外，还需要从外流域调水（如南水北调工程）用于增加水资源总量。

水质型缺水现象大多发生在水资源丰富的地区，如我国的江浙与珠三角一带，以及墨西哥、印度等国家的部分地区。由于大量城市垃圾与工业废污水的排放，超过了自然水源的自净能力而导致城市周边的河流、湖泊以及地下水被污染。解决水质型缺水的根本方法在于开发污染治理手段，如废水治理、海水与雨水的淡化等。

工程型缺水指在某些基础建设落后的地区，由于水利工程不完善导致供水不足。我国的长江与珠江流域以及南亚、非洲部分地区正面临工程型缺水的现象。兴建水库、完善水利设施与城市供水网络是治理工程型缺水的最有效措施。

1.2 空气取水工艺的优势与潜力

大气中的水资源约为地球上湖泊淡水总量的10%，总量达到13000万亿升，是一笔可观的淡水财富。很长一段时间内，由于科技发展的制约，人们对大气水资源的开发还停留在收集潮湿空气中的露水以及收集雾气[1]，但这两个过程仅能在相对湿度（RH）高的环境中实现，并非理想的空气取水方案。随着MOFs的诞生，研究者们发现相对于硅胶、分子筛等其它材料，MOFs在低湿度环境中依然对水蒸气有较好的吸附性能，并且能够实现低温（~65℃）解吸。MOFs作为核心材料的小型空气取水装置可以由阳光直接提供驱动力进行昼夜吸脱循环，便于以家庭为单位展开规模化部署[2]。

与传统的海水淡化、废水沉降法等水处理法相比，虽然空气取水工艺单位时间内产水量相对较少，但直接从大气中提取水分过程简单，能耗较低，且产出的淡水水质较好，可以直接用于家庭生产和生活。更重要的是，传统的淡水制取方法多围绕自然水源、家庭与工业的废水以及海水的再回收与淡化，仅适用于水质型缺水地区。而围绕MOFs开展的空气取水装置能够在全年气温高、RH较低的资源型缺水地区进行淡水制取，并且MOFs的低温解吸性能使装置运行过程中无需或仅需少量额外能源的辅助，同样适用于缩小能源短缺、基础设施不完善的工程型缺水地区的水资源缺口。

02 什么是空气取水

2.1 原理与分类

如图1所示，根据原理及使用材料，将空气取水技术分为干燥剂被动收集法、热响应亲水性切换法、吸水盐反渗透法与主动空气冷却法。其中热响应亲水性切换法与吸水盐反渗透法作为近几年提出的新概念还停留在实验室测试阶段，因此仅作简单介绍，而干燥剂被动收集法与主动空气冷却法是发展较为完善，已经逐步转向应用端的方法，下文会进行详细的比较。

图1. 四种主要的空气取水过程[3]

热响应亲水性切换法使用的聚合物材料（如异丙烯基丙烯酰胺凝胶[4]）亲水性会随着温度的升高而降低，在夜晚时聚合物材料处于亲水状态并捕获水蒸气，白天随着温度上升，水蒸气逐渐被释放。这种方法的优点在于捕获的水蒸气可以直接以液态而不是蒸汽的形式回收，因此具有热响应亲水性的材料又被称为分子水库。此技术在推广过程中遇到的关键瓶颈是大多数材料仅适用于中高湿度环境下水蒸气的捕获与释放，在低湿环境下，水蒸气释放的温度要求较高，需要额外输入大量能量[5]。

吸水盐反渗透法利用了吸湿盐（如LiCl、CaCl2等）对水蒸气的强亲和力与反渗透原理。吸湿盐经过充分的吸湿转变为浓盐溶液后再通过压力驱动回收淡水。吸水盐反渗透法的优点是相对节能，但在实际实施上过于依赖高压反渗透技术的发展以及透水膜的性能，此技术同样难以在低湿度环境下开展，仅在高RH下实现高产水量。

2.1.1 主动空气冷却法

主动空气冷却法与空调压缩机原理类似，在这里通过简化后的湿度图（图2）向读者进行介绍。

图2. 简化湿度图[6]

空气绝对湿度：又叫含湿量，指在一定的气压和温度下，单位体积内空气中水分子的重量，表示空气的实际含水情况。
相对湿度：指一定温度下，空气中实际蒸汽压与饱和蒸汽压之比。
露点温度：含湿量不变的情况下，空气降温至此温度时，相对湿度增大至100%，水蒸气发生相变，开始冷凝为液滴。

在主动空气冷却法中，将潮湿空气吹过蒸发器，在蒸发器中空气与制冷剂进行热能交换，温度降低至露点或略低于露点温度，空气中的一部分水蒸气凝结在蒸发器壁上随后被收集在储罐中。如图2中的a→b过程，在30℃，RH 20%的条件下，将空气温度降为4℃才可从空气中制取淡水；比较过程a→b与c→d可以看出，在温度相同时，RH越高的空气露点温度越高，也更容易制取淡水。主动空气冷却法的优点是产水量大，可达到1000 m3/d[7]；在风能或太阳能等绿色能源发达地区，可以通过可再生自然能源为压缩机提供能量，实现绿色生产；并且相关设备工艺发展较为成熟，市面上已有大型设备投入使用。但此工艺的不足也十分明显，从图2中可以看出，空气湿度对设备的能耗有很大的影响，在干旱地区需要消耗大量化石能源才能进行空气取水；除了冷却之外，还需要风机来驱动空气对流来为制冷表面提供足够的空气。因此，此类设备体积较大，后期运行成本较高。

2.1.2 干燥剂被动收集法

干燥剂被动收集法具有久远的发展历史，最初人们使用干燥剂在阴凉处捕获空气中的水分，然后在阳光下将水分从干燥剂中解吸并收集，再生的干燥剂重新在阴凉处冷却，继续下一轮的水捕获循环。发展至今，一种简化系统被提出：干燥剂材料在夜间从潮湿空气中吸附水分，并在白天利用太阳热进行再生。这种情况下，吸附阶段的干燥剂可以在夜间由空气本身冷却[8]。相比于主动空气冷却装置，基于吸附剂的空气取水装置涉及和操作更加简单，并且循环效率＞90%，热效率更高[9]。以MOFs为首的新型除湿材料为例，即使在RH较低的情况下，干燥剂也可以捕获空气中的水分，并且在低能量输入条件下实现解吸。想要推广应用的空气取水技术应满足高效、经济、可放大、运行稳定等条件，上述四种空气取水工艺中，基于干燥剂的系统是沙漠和干旱地区的最佳选择，因为无论环境天气条件如何，它们都能够保持一定的吸水性能，并且能源需求更低。

2.2 干燥剂材料选择

对空气取水装置来说，干燥剂的选择在实现高能效和低成本方面发挥了关键作用。除了干燥剂的吸附容量之外，吸附速度与使用循环性均需要被考察。干燥剂的选择应满足亲水性、化学稳定性、可调节的孔径以微调吸附曲线与吸附动力学等条件[10]。

2.2.1 液体干燥剂

工业上常用的液体干燥剂有乙二醇类、卤化物与盐类溶液，如CaCl2溶液、LiBr溶液等。但实际应用于空气取水系统中时，乙二醇类物质因其强挥发性被排除在外；LiCl溶液虽然性质稳定，并在一系列盐溶液中表现出了中低湿吸附性（30~40%），但成本相对较高；卤化物盐（如LiBr）可以将空气干燥至RH 6%，性能比较突出，但卤化物的盐具有腐蚀性，会对装置产生不可逆的损害；甲酸钠、钾盐或乙酸盐等弱有机酸盐的挥发性、腐蚀性与粘度都比较小，因此在许多应用场景中可以作为上述几种液体干燥剂的替代品，但此类材料仅能将空气RH降低至30%。所以目前常见的液体干燥剂并不适用于空气取水，一方面，虽然液体干燥剂的再生温度较低（约65-80°C）[11]，但大多数液体干燥剂在低湿条件下的吸附性能并不理想，产水能力十分有限；另一方面，基于液体干燥剂的装置大多使用的是液体干燥剂与沙子、活性炭等材料的复合物，这一类材料还未开发出高度集成化、规模化的装置，仍需不断改进[12]

2.2.2 固体干燥剂

传统干燥剂（如硅胶与沸石）由于亲水性好，曾被用于空气取水技术，但传统干燥剂的水吸附容量较低（约0.2 g/g），高亲水性也意味着需要高能耗才能使收集的水释放；在吸附行为上，这类材料的吸收与释放动力学十分缓慢，导致水收集循环耗时较长，因此这类材料并不适合空气取水技术。

MOFs（金属有机框架）由于其高度可调控和永久多孔的结构成为很有前途的空气取水干燥剂，碳语技术博客之|MOFs除湿应用：下一代超高能效空调分享了MOFs与传统干燥剂的性能比较。针对空气取水装置进行MOFs材料的选择时，应倾向选择吸附等温线拐点位于RH 10~30%的材料，因为在此范围内材料同时具有高亲水性与低温再生性。

广东碳语新材料有限公司作为国内首家实现MOFs吨级产能的科创型企业，旗下有多款制备工艺成熟、性能优良的MOFs产品。图3是碳语MOF产品在RH 20%时的吸附动力学测试结果以及25℃下的吸附线，可以看出材料在10 min内吸附量达到0.25 g/g，低湿度条件下吸附量与吸附速度均优于传统吸附剂。

图3. 碳语MOF产品的吸附等温线与吸附动力学曲线

2.3 空气取水设备

MOFs之父Omar M. Yaghi教授团队对MOFs的空气取水应用进行大量的探索与研究，其团队以从沙漠空气中收集淡水为目标，进行材料的设计与设备搭建，最终也成功证明了MOFs可以在室外炎热、低RH的环境中捕获并形成可收集的液态水。图4是从概念验证到商业化的空气集水装置的发展过程图，可以看出基于MOFs的空气集水装置在五年间从简单到规范化、产量从0.001~100 L/kg的变化。结合图5为读者介绍装置的基本设计思路：整个装置由放置MOFs材料的水吸附单元与外壳组成的水收集器组成，夜晚箱体的盖子被打开，MOFs充分吸收空气中的水分，白天将盖子合上，箱子变为密封系统，携带水蒸气的潮湿热空气从MOFs向四周发散，通过向周围环境排热直至冷却至露点温度，水蒸气发生冷凝并聚集在外壳底部。

图4. 基于MOFs的空气集水装置发展过程[13]

图5. 基于MOFs的沙漠空气取水装置[5]

在测试中，使用的MOF材料为MOF-801，在RH 10%时，MOF-801可以实现在65℃条件下再生，但释放的水蒸气只有温度低于20℃时才能冷凝。为了形成显著的温度梯度，将水吸附单元设计为隔热体，并且将除了MOF表面之外所有表面都涂上红外线反射涂层，确保只有MOF的表面暴露在太阳辐射下，能够在加热MOF的同时保持较低的冷凝器温度，保证冷凝水的顺利收集。

空气集水装置的建立与使用的关键是MOFs材料的性能，Yaghi教授团队近几年也开发了多种针对低湿环境下水蒸气捕集的MOFs材料。MOF-303[5]由铝盐和吡唑二甲酸合成，结构中具有直径为6 Å的亲水一维孔，最大吸附容量约 0.48 g/g；又通过将 MOF-303与33 wt% 的无孔石墨混合提高其热力学性能，经过实验，每千克MOF-303在沙漠空气中可收集175g纯净水。Yaghi教授团队以MOF-303为母体，通过长臂（LA）链接延伸策略，使用铝盐和呋喃二甲酸合成了MOF-LA2-1[14]，在RH20%时观察到MOF-LA2-1的吸附容量可达0.45 g/g，并且循环性能优异，相信未来这种材料也会应用于空气取水领域。

03 相关企业

3.1 Drupps

Drupps成立于2019年，是瑞典的一家绿色科技初创公司，主要开发方向为工业空气中的水回收。Drupps旗下开发了一种溴化锂-镁盐复合液态吸附材料Absium，可以有效的从工业气流中回收并清洁空气中的水。图6是基于Absium的Drupps Atmo系统示意图：在生产过程中，产生的废蒸汽冷凝，放出的热量被回收，与此同时，工厂上方空气中含有的水蒸气被Absium吸收并转移至蒸发器中，被回收的热量提供解吸动力，得到纯净水。经过测试，该系统的运营成本为3 €/m3。

图6. Drupps Atmo示意图

3.2 Watergen

Watergen 2009年成立于以色列，作为一家空气饮用水设备公司，其核心技术“GENius”水提取系统是第一个由食品级聚合物组成的用于空气取水的热交换器。Watergen旗下开发的空气取水设备可以使空气在极短的时间内快速进入GENius并通过主动冷却法制水（图7），设备仅需供电，每升饮用水约耗电费一元，目前产能最大的型号GEN-M PRO每天最大制水量达到900 L。相较于沙漠干旱地区，此类设备最佳工作环境RH＞40%，更适合用于东南亚、拉丁美洲等潮湿炎热地区。

图7. Watergen取水系统运行流程图

3.3 Atoco

为了进一步推动MOFs的商业化应用，MOF的创始人Omar Yaghi 教授在23年创立了Atoco公司。Atoco主要致力于通过MOFs的设计与开发，实现可持续大气集水和二氧化碳捕获，解决水资源短缺和全球变暖问题。Atoco的成果依托于Yaghi教授团队的研究，如前文所提到的，Yaghi教授团队已开发出在RH≤20%的干燥条件下，也能高效地从大气中捕获和生成纯净水的材料。并且开发的集水装置可以在不使用电力的情况下以被动模式运行，从而实现零碳足迹的离网运行。

3.4 弘润清源

弘润清源（Hurrain）是国内一家依托于清华大学先进制造和研发中心的科创企业，核心技术是由清华大学团队研发的空气捕水技术，通过微拓扑调控和功能复合吸湿材料的设计，实现了低湿度下水蒸气热函的大幅降低，结合先进的热泵技术，基于水蒸气的焓值和湿度变化调节，实现低湿度快速洁净水生产。旗下研发的云海系列产品产能预计可达到万吨级，单个集装箱、壳装设备可在低温低湿环境下每年连续从空气中捕获纯净水1万吨以上，产水能耗80-180 kWh/t。另外，弘润清源也开发了覆盖从10~100 L/天系列家用型制水机，制水耗能低至0.3 kWh/L。

04 结语

空气取水技术作为一种新兴的水收集技术，随着MOFs作为除湿材料的发展逐渐吸引大众目光，与其它水收集技术相比，使用MOFs进行水吸附-解吸循环需要的能量输入更少，并且适用的温度与湿度范围更广，为解决炎热干旱地区的供水困难提供了全新的可能性。但目前市面上存在的空气取水装置还未出现使用MOFs材料的先例，原因可能是当下仅在吸水性MOFs有大量研究，缺乏如何将材料与设备结合的设计与探讨。但我们依然有理由相信未来MOFs在空气取水这一领域大有作为。广东碳语新材料有限公司是国内第一家实现MOFs吨级量产的科技创新型企业，上百种功能型MOFs在此诞生。我们的团队对MOFs的合成及应用具有深厚的技术积累，想了解更多关于MOFs的应用与功能定制，欢迎联系碳语专家团队，为您排忧解难。

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参考文献
[1] Ambio 41, 221-234(2012).
[2] Science 356, 6336: 430-434(2017).
[3] Iscience 24, 11(2021).
[4] Nature communications 9(1), 2315(2018).
[5] Science advances 4, 6: eaat3198(2018).
[6] ACS central science 6, 8: 1348-1354(2020).
[7] Desalination 165, 335(2004).
[8] Joule 2, 8: 1452-1475(2018).
[9] Renewable energy 19, 4: 625-635(2000).
[10] Advanced Materials 30, 37: 1704304(2018).
[11] Renewable and Sustainable Energy Reviews 56, 179-195(2016).
[12] International Communications in Heat and Mass Transfer 133, 105961(2022).
[13] ACS central science 6, 8: 1348-1354(2020).
[14] Journal of the American Chemical Society 146, 3: 2160-2166(2024).