MOFs空气取水技术应用进展_刘剑飞.pdf

净水技术 2023,42(2):47-54Water Purification Technology 刘剑飞,董志明,汪毅,等.MOFs 空气取水技术应用进展J.净水技术,2023,42(2):47-54.LIU J F,DONG Z M,WANG Y,et al.Review on application of MOFs technology in clean water recovery from airJ.Water Purification Technology,2023,42(2):47-54.MOFs 空气取水技术应用进展刘剑飞1,董志明1,汪 毅2,陶国林2,杜山山3,陈 晓4(1.32181 部队,陕西西安 710032;2.陆军工程大学,江苏南京 210007;3.32182 部队,北京 100043;4.南方海洋科学与工程广东省实验室,广东广州 511458)摘 要 金属-有机骨架(metal organic frameworks,MOFs)空气取水是一种获取清洁用水的有效途径。文章对 MOFs 空气取水的原理、工艺、MOFs 材料性能差异以及空气取水的发展趋势进行了整理。MOFs 空气取水在本质上是通过吸附-解吸-冷凝3 个温度(低温-高温-中温)的卡诺循环,从空气获取清洁水的过程。从传统的利用昼夜温差取水到以热能/太阳能为能源供应的技术应用模式正得到逐步发展。MOFs 性能通常通过稳定性时间与吸附等温线等参数变化进行综合表征,MOFs 以及其他替代材料在稳定性、吸附性、安全性等方面需要进一步优化提升。关键词 金属有机骨架 吸附材料 空气取水 工艺 发展趋势中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1009-0177(2023)02-0047-08DOI:10.15890/ki.jsjs.2023.02.006Review on Application of MOFs Technology in Clean Water Recovery from AirLIU Jianfei1,DONG Zhiming1,WANG Yi2,TAO Guolin2,DU Shanshan3,CHEN Xiao4(1.32181 Troops,Xian 710032,China;2.Army Engineering University of PLA,Nanjing 210007,China;3.32182 Troops,Beijing 100043,China;4.South Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory,Guangzhou 511458,China)AbstractWater recovery from air by metal organic frameworks(MOFs)is an efficient way to harvest clean water.This paper summarizes the review and outlook basic principles,techniques,MOFs materials performance and the development trend in the field of harvesting water from air.Basically,harvesting water from air undergoes the process of adsorption-desorption-condensation(at low-high-medium temperature respectively)with three Carnot cycle to realize the purpose of capturing water.From the traditional use of day and night temperature difference to take water to the use of heat/solar energy as energy supply technology application mode is being gradually developed.The performance of MOFs is usually characterized by changes in parameters such as stability time and adsorption isotherms.MOFs and other alternative materials need to be further optimized and improved in terms of stability period,adsorption performance,safety and other aspects.Keywords metal organic frameworks(MOFs)adsorption material water recovery from air process development trend收稿日期 2021-04-06作者简介 刘剑飞,高级工程师,主要从事非常规水源开发应用,E-mail:Luke20160408 。通信作者 董志明,高级工程师,E-mail:pingmin2021 。受人口增长、气候变化、水污染加剧等因素的影响,全球范围内的缺水问题日益严峻。根据联合国的预测数据,到2050 年全球预计将有50%的人口面临严重的缺水问题1-2。淡水资源的时空分布不均,将严重影响人类的健康与生活质量,并有可能引发严重的武装冲突3。空气取水是一种去中心化的供水模式,可以在应对全球缺水危机的过程中发挥重要作用。目前,空气制水的实现主要有 3 种方式:(1)集雾取水;(2)将空气冷却至露点(使空气充满水所需的温度)以下收集凝结水;(3)利用吸附剂辅助取水1。目前,全球范围内约有10 亿人口居住在干旱74地区,大气中的水分很少通常相对湿度(relative humidity,RH)50%,通过直接冷却空气集水能耗较高且不切实际2。相对于前两种方式,利用吸附剂辅助制水的方式受气候、地域的限制更小。金属-有 机 骨 架(metal organic frameworks,MOFs)是具有独特吸附特性的结晶多孔固体4,具有孔隙率大、比表面积大、结构灵活性强的特点,吸附性能良好,是目前应用最广泛的一种空气制水吸附剂。MOFs 以金属离子或金属簇为节点,以有机配体为连接骨架,其合成方法主要包括传统溶剂热法、微波辅助法、机械合成法、电化学合成法、干胶转化法等5。1995 年,Yaghi 教授研究小组6以均苯三甲酸为配体、过渡金属 Co 为节点,合成了第一种MOFs 材料,将其命名为 MOF-1。早期的 MOFs 材料命名无统一的规则,同一种材料在不同文献中的表述形式也不尽相同。随着 MOFs 材料的发展,其命名通常结合其材料成分、结构、功能、实验室或大学名进行自由组合,呈现一定的规律性,如 MIL-53-Al全称为苯二甲酸铝(Al-benzenedicarboxylate,Al-BDC),表明是由苯二甲酸为配体、金属 Al 为节点合成的 MOFs 材料7。用于空气取水的 MOFs 材料需要满足两个重要先进条件 良好的热稳定性与良好的循环再生性能,在此基础上通过引入亲水性基团,如氨基、硝基、羟基等,以提高 MOFs 材料的水蒸气吸附能力。图 1 基于 MOFs 空气制水的原理1Fig.1 Principle of Water Recovery from Air Based on MOFs11 MOFs 空气取水的基本原理MOFs 空气取水在本质上是将 RH 较低的空气(a)变为 RH 较高的空气(c),然后通过(c)(d)的冷却过程获取冷凝水(图 1)1。与(a)(b)的直接冷却空气过程相比,MOFs 可以更有效地使干燥空气中的水达到饱和状态,同时降低了环境温度与冷凝所需露点温度之间的差值,减少了能量消耗,避免了低温冷却过程中的结霜问题。在实际工程中,根据环境温度与空气湿度、MOFs 材料最大吸附能力,参考焓湿图确定 MOFs 空气取水露点温度。基于 MOFs 空气制水主要包括吸附和解吸两个过程,如图 2 所示。(1)吸附过程是利用 MOFs 将空气中的水吸附到多孔材料中,提高材料中空气的RH。MOFs 材料吸水的机理主要包括:可逆和连续的孔填充、通过毛细管冷凝产生的不可逆和不连续的孔填充、主体材料的不可逆结构变化8。(2)解吸过程是通过压力或温度驱动,将多孔材料中的水脱附出来,解吸的水再次在热交换器上冷凝。吸附与解吸过程可在“封闭”系统或“开放”系统中进行,“封闭”系统与周围环境只发生能量交换,“开放”系统既与周围环境存在能量交换,也存在物质(水/水蒸气)交换。基于 MOFs 空气制水通过自由组合包括“封闭”吸附、“封闭”解吸、“开放”吸附、“开放”解吸。图 2 吸附与解吸过程示意图9Fig.2 Processes of Absorption and Desorption9“封闭”系统中,MOFs 吸附高 RH 水源模块中的水蒸气(图 2 中横向箭头表示水蒸气的变化),基于范德华力、水与 MOFs 之间化学键的成键作用形成稳定的结合状态,吸附过程为放热反应(图 2 中84刘剑飞,董志明,汪 毅,等.MOFs 空气取水技术应用进展Vol.42,No.2,2023竖向箭头表示能量的变化)。初始阶段,放热反应释放的热量进一步促进吸附过程的进行,水源模块通过吸收外部热源,保持稳定的蒸发过程。在吸附过程中,随着水源模块中 RH 的逐渐下降,吸附效率随之下降,当 RH 显著低于 MOFs 的吸附能力时,需要新的取水模块进行替代。当 MOFs 吸附材料逐渐趋于饱和时,可将 MOFs 材料与水源模块进行隔断后储备,或与产水端连接进行解吸制水。解吸制水时,通过温度或压力驱动,水与 MOFs 之间的化学键断裂、水分子的动能增加,使得水分子以高温高湿气体的形式从 MOFs 材料脱附出来,在产水端通过冷凝作用得到凝结水。“开放”系统中,通过持续的潮湿空气,可使供水源模块保持较高的 RH,使得 MOFs 保持较高的吸附效率。当 MOFs 饱和后,通过高温高压进行解吸,与“封闭”系统相比,“开放”系统中的解吸过程需要消耗更多的能量。综上,较为理想的空气制水模式为“开放”吸附与“封闭”解吸的组合方式。图 3 沙漠地区基于昼夜温差的空气制水原理图6Fig.3 Principle of Water Recovery from Air Based on Temperature Difference in Desert Area62 MOFs 空气制水的主要工艺方法2.1 利用昼夜温差空气制水Fathieh 等10基于沙漠地区的昼夜温差进行空气制水,如图 3 所示。装置由一个吸水单元和一个箱体组成。在夜间,打开机箱盖成为一个“开放”系统,使 MOFs 充满来自沙漠空气的水分。白天,将箱子密封起来以形成一个“封闭”系统,太阳辐射MOFs 材料析出潮湿的热空气,潮湿的热空气从MOFs 流向冷凝器(即此装置中侧壁),当达到露点时,凝结的液态水会聚集在外壳底部。通过顶部的反光板,仅使得 MOFs 表面暴露在太阳光下,避免冷凝水的再次蒸发。2.2 太阳能/热能驱动空气制水与传统的蒸汽压缩热泵完全依赖于电力不同,基于吸附的过程可以利用低温废热或太阳能作为主要能源8。Wang 等11建立了高效的半开放式空气取水系统,如图 4 所示,通过波纹填充吸附剂以及热源解吸,可实现高效空气取水的目的。无论是吸附过程还是解吸过程,都需要风机提供动力源,加快空气在系统中的循环。图 4 半开放式空气取水样机11Fig.4 Semi-Open Devices of Water Recovery f