文献快讯：Nat. Water 便携太阳能大气水收集系统，在沙漠与半湿润气候均实现升级产水

【成果掠影 & 研究背景】

全球仍有约21亿人缺乏安全饮用水，按照当前进展速度，到2030年联合国可持续发展目标6（SDG 6）的覆盖率将仅达77%，进展速度需提升至少八倍。传统集中式水处理与分配系统高度依赖地表水和地下水，但这些水源时空分布极不均衡，且近二十年来受人类活动和人口增长影响水质持续下降。大气水收集（AWH）利用大气中持续补充的水蒸气资源，是一种分散式、点对点的供水策略，具有无需长周期基础设施建设的独特优势。然而，现有AWH系统在同时满足野外便携、太阳能驱动和升级产水三个条件时面临根本性矛盾：便携要求紧凑设计，升级产水需要高吸附剂装载量，而太阳能驱动则对光热转换效率和热管理提出严苛要求，三者之间存在复杂的相互制约关系。

针对这一核心瓶颈，来自德克萨斯大学奥斯汀分校Yu Guihua团队的研究人员提出了一种从材料到系统的跨尺度设计策略，开发了一套野外便携、太阳能驱动、升级大气水收集系统。核心吸附材料为生物质衍生的纤维素凝胶织物（CGF），通过两性离子接枝与原位凝胶化两步水相工艺制备，在30%相对湿度（RH）下吸附容量达1.25 g/g，在60% RH下达2.15 g/g，且吸附动力学几乎不受样品面积影响（25 cm2与400 cm2达到80%平衡容量的时间差异仅约18%）。在系统层面，CGF被组装为具有可控层间距的卷曲通道化吸附筒，在真空太阳能管中解吸，并配合流导冷凝器（FDC）实现热通量匹配的冷凝收集。在德州奥斯汀实地测试中（平均RH约62%），双模块配置日产量达1.3 L，面积产水率4.7 L/m2；在新墨西哥州奇瓦瓦沙漠（平均RH约26%），单模块日产量610 mL，面积产水率4.3 L/m2；即使在多云条件（约0.4个太阳）下，单个模块仍可产出310 mL水。全球产水潜力预测显示，高产水区域与水应力热点区域高度吻合。技术经济分析表明，该系统的产水成本约为0.10美元/升，在100天内即可通过零售水价收回成本。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 材料-系统跨尺度一体化设计策略：将吸附材料、器件构型和运行协议作为统一系统进行协同设计，而非分步优化。CGF的分级多孔结构（毫米级贯通孔+微米级纤维间通道）保证了紧凑装载下的低阻力传质；卷曲通道化吸附筒与真空太阳能管的集成消除了热串扰；流导冷凝器与解吸热通量匹配；气候自适应多批次协议补偿了不同湿度的吸附量差异，从根本上解决了便携性-产水量的固有矛盾。

• 两性离子接枝与原位凝胶化的两步水相工艺：室温、水相、无整体加热或搅拌的简便方法，兼容连续卷对卷生产。Ce(IV)氧化纤维素羟基产生自由基位点，直接引发DMAPS单体的接枝聚合，同时交联剂BIS形成互连水凝胶网络。FT-IR和XRD证实了磺酸基团的成功引入和纤维素结晶结构的破坏，EDX映射显示硫元素在纤维中的均匀分布。

• 卷曲通道化吸附筒的传质增强机制：CGF被卷曲为具有可控层间距（0、5、10 mm）的筒状结构。Shewood数随层间距增大而增加，表明对流蒸汽传输增强。室外对比实验表明，10 mm层间距在14:00时残留含水量仅50%（0 mm为90%，5 mm为71%），解吸速度显著领先。模拟揭示了解吸过程中径向的时空非均匀性——外层先快速干燥，随后局部水浓度最大值向内移动，据此提出了10 mm间距双批次替换策略和5 mm间距反向卷曲策略。

• 流导冷凝器的热通量匹配设计：通过在冷凝器内部设置导流板，蒸汽流道被优化，减少了传统空心冷凝器中的回流区域，增加了蒸汽与冷凝壁的接触概率。同时，额外的板面积提供了额外的冷却功率，使FDC在室外运行中温度比传统设计低约7°C，产水量增加约22%，收集效率从约81%提升至89.2%。

• 气候自适应多批次操作协议：根据不同气候条件下的解吸动力学特征，在半湿润气候（Austin，RH约62%）采用双批次操作（中午14:00更换吸附筒），在干旱气候（奇瓦瓦沙漠，RH约26%）因吸附量更低、解吸动力学窗口更早关闭，采用三批次操作。这种气候感知协议使得在RH差异巨大的两种气候下，面积产水率分别达到4.7 L/m2和4.3 L/m2，几乎持平。

• 全气候适应性验证和低辐照运行可靠性：在Austin（RH约62%）和奇瓦瓦沙漠（RH约26%）两种极端湿度条件的户外试验中均实现稳定升级产水，并额外验证了多云低辐照（约0.4 sun）下的运行能力（310 mL/模块）。全球产水潜力预测与全球水应力热点区域高度吻合，表明该技术在需求最迫切的地区性能最强。

图1 | 野外便携、太阳能驱动、升级大气水收集系统的材料到系统设计。a，FSL-AWH平台示意图，展示从环境湿气到清洁水的路径：湿气被可配置的CGF吸附剂捕获，吸附剂被组装为卷曲筒模块并留有层间蒸汽逃逸通道以加速解吸，吸湿后的吸附剂在便携式太阳能聚光解吸管中再生，释放的蒸汽在流导冷凝器中冷凝。b，CGF吸附剂照片（标尺10 cm）。c，用于移动操作的模块化易携带系统（新墨西哥州奇瓦瓦沙漠）。d，整合多个阵列用于升级产水的规模化配置（新墨西哥州奇瓦瓦沙漠）。e，最新吸附剂的材料级性能对比。水吸附量为30% RH下的平衡质量吸附量（评分1-5分别对应<0.4、0.4-0.6、0.6-0.8、0.8-1.0、>1.0 g/g）。可规模化性为反映放大实用性的定性评分（合成/加工难度、实验室到规模化性能一致性、成本和已证明的循环稳定性）。可配置性反映将吸附剂塑形并集成到筒/器件架构中且不牺牲性能的难易程度。f，最新太阳能和电力驱动系统的系统级性能对比。

图2 | CGF的可规模化制备与性能。a，CGF通过简单的可规模化两浴浸渍工艺制备：商业非织造纤维素织物首先浸渍引发剂，然后在单体和交联剂浴中进行凝胶化，得到两性离子接枝的CGF。b，连续CGF卷照片，展示其坚固性和可配置性，材料可折叠、可扭曲、可塑形（标尺10 cm）。c，CGF特写照片，显示毫米级大孔促进快速蒸汽传输（标尺10 mm）。d，起始非织造纤维素织物的SEM图像（标尺50 um）。e，左：CGF的SEM图像，显示纤维交叉处的开孔蒸汽传输通道。右：S和C的EDX元素映射确认成功凝胶化（标尺50 um）。f,g，非织造纤维素和CGF的XRD图谱和FTIR光谱。h，CGF的水蒸气吸附等温线。

图3 | 系统级传质分析。a,b，CGF在30% RH和60% RH下对1、25和400 cm2样品的吸附动力学。c，不同层间距卷曲筒的模拟解吸动力学。d，Sh数残留含水率随层间距的变化。e，层间距为0、5和10 mm的卷筒的太阳能辅助解吸动力学。f，解吸早期和晚期的模拟径向水浓度分布。插图为解吸过程中的水蒸气浓度分布。g，流导冷凝器和传统冷凝器内部的流场。h，流导冷凝器（外层、中层、内层）和传统冷凝器以及太阳辐照强度的室外时间分辨系统温度。i，流导冷凝器和传统冷凝器的室外水收集效率。

图4 | 跨气候的实地性能。a-c，德州奥斯汀半湿润气候（平均RH约62%）的实地测试：双卷吸附剂模块的操作协议，2025年9月9日的室外时间分辨系统温度和水收集曲线，双模块配置的产水量（1.3 L）。d-f，新墨西哥州奇瓦瓦沙漠干旱气候（平均RH约26%）的实地测试：三卷吸附剂模块的操作协议，2025年8月25日的室外时间分辨系统温度和水收集曲线，单模块配置的产水量（610 mL）。g，2025年8月和9月不同太阳辐照强度下的室外日产水量。h，估算的年平均日产量全球分布图。

【总结 & 原文链接】

本研究建立了一条从材料到系统的野外便携、太阳能驱动、升级大气水收集技术路线。通过将CGF吸附剂的设计（两性离子接枝+原位凝胶化赋予高吸附容量和快速动力学）、器件构型设计（卷曲通道化吸附筒增强传质、流导冷凝器匹配热通量）和气候自适应操作协议（双批次/三批次灵活切换）作为统一系统进行协同设计，在仅利用太阳能输入的条件下，在半湿润气候（RH约62%）和干旱气候（RH约26%）中均实现了稳定的升级产水，面积产水率分别达4.7和4.3 L/m2/d，即使在低辐照多云天（约0.4 sun）仍可产出310 mL/模块。提出的三层架构——材料层次（纤维内孔隙）、器件层次（紧凑的通道化吸附筒）和系统层次（冷凝器热通量匹配与气候感知操作）——为AWH领域长期存在的便携性与产水量的矛盾提供了系统级解决方案。全球产水潜力预测显示高产水区域与水应力热点区域高度重合，结合约0.10美元/升的产水成本和低于100天的投资回收期，该平台为SDG 6提供了一种兼具气候鲁棒性、可负担性和可扩展性的分散式安全饮用水供给策略。

原文链接: https://doi.org/10.1038/s44221-026-00645-6

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