侯宏伟，赵惠忠，张晶，张真真

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

利用空气取水技术从大气中获取水分[1-2]，可以有效缓解水资源危机[3-5]。空气取水技术一般有：制冷结露法[6]、吸收冷凝法[7]、吸附冷凝法[8-9]，其中吸附冷凝法具有设备简单、取水效率高的特点。

太阳能吸附式空气取水系统[10-11]利用太阳能驱动吸附冷凝取水过程，具有很大的发展潜力。吸附剂包括传统吸附剂，如沸石[12-13]、硅胶[14-15]；新型吸附材料金属有机骨架(MOFs)等[16-19]。Aristov等[20-21]提出了将多孔基质复合吸湿性盐合成一种复合吸附剂CSPMs，可以有效提高吸附效率，常见的多孔基质有13X沸石[22]、蛭石[23-24]、活性炭纤维等[25-26]。本文对蛭石/MgCl2/MgSO4复合吸附剂在空气取水系统中的水吸附性能进行了研究。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

蛭石(品牌Aldrich，规格2～3 mm)；去离子水(电导率≤5 μS/cm，三级水)；无水MgCl2(99%，1～4 mm)、无水MgSO4均为分析纯。

101-3A电热鼓风干燥箱(温控范围为50～250 ℃，控温精度为±1 ℃)；BPS-100CL恒温恒湿箱(温度范围-10～100 ℃，温度分辨率±1 ℃，湿度范围35%～95%RH，湿度分辨率±1% RH)；HZY-B1000电子天平(测重范围为1～1 100 g，精度为±0.01 g)；VP-10 L真空抽滤装置；PC-4小型自动气象数据采集站。

1.2 复合材料制备

复合吸附剂的制备方法如下。首先，将蛭石材料置于150 ℃的干燥箱中干燥活化24 h，去除蛭石内部的水分和多余杂质。将MgCl2和MgSO4固体盐溶解在去离子水中，制备出含有不同质量浓度盐溶液、不同盐比例的二元盐溶液。其中，选取质量浓度分别为5%,10%,15%,20%,23.31%(饱和)的MgSO4盐溶液，以及饱和质量浓度(34.89%)的MgCl2盐溶液，二元盐溶液中MgCl2和MgSO4的体积比分别为1∶1,2∶1,3∶1。命名规则为，M后面的数字表示二元盐溶液中MgSO4的质量浓度(%)；C后面的数字表示二元盐溶液中MgCl2的质量浓度(%)；S表示盐溶液的饱和(Saturated)质量浓度；M5CS-X最后的数字 “X”表示二元盐溶液中MgCl2与MgSO4溶液体积的比值。示例，二元盐中MgSO4的质量浓度为5%，MgCl2为饱和质量浓度(23.31%)，MgCl2与MgSO4的体积比为2∶1，蛭石浸渍该二元盐得到的复合吸附剂为“M5CS-2”。

称取5 g烘干后的蛭石和25 mL二元盐溶液，慢慢将溶液转移至装有蛭石的容器中，密封浸渍12 h，使盐能浸渍到蛭石的孔道内。浸渍结束后将材料放入真空抽滤装置中进行真空抽滤，过滤掉蛭石表面多余的盐溶液，随后放入150 ℃的干燥箱中干燥12 h，去除材料中多余的水分，并在烘干后测量材料的质量，计算出复合材料的含盐量，然后取部分复合吸附剂放入恒温恒湿箱中进行吸附性能的测试，图1为复合吸附剂材料制备流程图。表1为盐比例1∶1时制备的复合吸附剂含盐量。

图1 材料制备流程图Fig.1 Flow chart of material preparation test

表1 盐比例1∶1时复合吸附剂盐含量Table 1 Salt content of composite adsorbent at 1∶1 salt ratio

图2a为蛭石原材料在150 ℃烘干后的外貌形状；图2b为烘干后的蛭石材料浸渍盐溶液后经真空抽滤、150 ℃烘干后的外貌形状。本文利用蛭石材料复合不同质量浓度、盐比例的二元盐溶液合成复合吸附剂，探究复合吸附剂在不同工况下的吸附性能。

图2 蛭石浸渍吸湿性盐Fig.2 Vermiculite impregnated with hygroscopic salt

1.3 实验方法

本实验制备了由不同质量浓度以及不同体积比的MgCl2、MgSO4盐溶液组成的二元盐溶液，并用烘干后的蛭石(规格2～3 mm)材料浸渍以上二元盐溶液，制备成用于太阳能吸附式空气取水的复合吸附剂，并研究了温度、湿度对复合吸附剂的吸附性能的影响。在吸附环境温度25 ℃时，探究了复合吸附剂在50%RH,60%RH,80%RH湿度下对水蒸气的吸附效果；吸附环境湿度为60%RH时，复合吸附剂在10,15,20,25 ℃温度下对水蒸气的吸附效果；将吸附饱和后的复合吸附剂在110,130,150 ℃烘箱中进行脱附实验，并在实际工况下进行取水实验，探究了该复合吸附剂在实际动态环境下的取水情况。

2 结果与讨论

2.1 复合吸附剂吸附性能

在太阳能吸附式空气取水中，复合吸附剂的吸附量直接决定了空气取水的取水量。在恒温恒湿箱中模拟吸附过程中，当连续两次测得的吸附剂的质量变化<2%，即认为吸附达到平衡。由于蛭石本身的吸附能力非常低，实验测得蛭石在25 ℃、60%RH下的吸附量仅为0.048 g/g，因此复合吸附剂的吸附能力主要来源于浸渍的盐。实验测试了不同配比的复合吸附剂在不同工况下的吸附性能。

2.1.1 不同湿度下的吸附性能 通过在恒温恒湿箱中模拟环境温湿度，探究湿度对复合吸附剂吸附性能的影响。测试了复合吸附剂在温度为25 ℃时，湿度分别为50%RH,60%RH,80%RH时的吸附性能。

图3为复合吸附剂在25 ℃，3种湿度工况下对水蒸气的吸附量图。

图3 复合吸附剂在25 ℃，50%RH、60%RH、80%RH下的吸附量Fig.3 Adsorption of composite adsorbent at 25 ℃,50%RH,60%RH and 80% RH

由图3可知，在25 ℃的吸附温度下，随着湿度上升，复合吸附剂的吸附量明显增加，MgSO4质量分数为5%时对应的复合吸附剂均表现出很好的水蒸气吸附能力。在25 ℃、RH=80%工况下M5CS-1、M5CS-2、M5CS-3、M0CS吸附量分别达到了1.19,1.35,1.39,1.45 g/g，虽然M0CS的吸附量最高，但在实验过程中发现M0CS在吸附过程中出现明显的潮解现象，复合吸附剂表面出现溶液泄露，M5CS-3也出现了轻微的潮解现象，M5CS-1、M5CS-2在吸附平衡时均未发现潮解，而潮解现象不利于空气取水实验的进行。

图4 为MXCS-3复合吸附剂在25 ℃，80%RH工况下的动态吸附曲线。

图4 MXCS-3，M0CS在25 ℃，80%RH下的吸附曲线Fig.4 Adsorption curves of MXCS-3,M0CS at 25 ℃,80% RH

由图4可知，在吸附过程的初期复合吸附剂的吸附速率很快，随着吸附过程的进行，吸附速率逐渐减小，直到1 000 min左右，吸附达到平衡，吸附速率变为零，此时M0CS、M5CS-3、M10CS-3、M15CS-3、M20CS-3、MSCS-3的平衡吸附量分别为1.45，1.39，1.35，1.30，1.25，1.33 g/g。吸附速率变化的原因是复合吸附剂吸附初期具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，孔内的吸附位处于空位状态，根据碰撞概率理论[27]，水分子有较大的概率击中吸附位空位，而随着吸附过程的进行，吸附位空位逐渐被吸附的水分子占据，而导致后续的水分子击中吸附位空位的概率减小，表现为吸附速率逐渐减小。

在以上复合吸附剂中，吸附达到平衡时M0CS出现明显的潮解现象， M5CS-3、M10CS-3出现了轻微的潮解现象， M15CS-3、M20CS-3、MSCS-3未出现潮解。由于潮解现象会极大地影响空气取水的效果，造成盐含量的损失以及对吸附床造成腐蚀，在实际取水中往往不会选择容易出现潮解的吸附剂。

图5为MXCS-2复合吸附剂在25 ℃，80%RH下的动态吸附曲线。

图5 MXCS-2在25 ℃，80%RH下的吸附曲线Fig.5 Adsorption curve of MXCS-2 at 25 ℃ and 80% RH

由图5可知，吸附速率满足碰撞概率理论，前600 min时吸附速率相对较大，600 min以后吸附速率逐渐减小，并在1 000 min时吸附达到平衡，M0CS、M5CS-2、M10CS-2、M15CS-2、M20CS-2复合吸附剂的吸附量依次可以达到1.42，1.35，1.32，1.27，1.20 g/g。显然，当浸渍二元盐比例一定时，随着MgSO4质量分数的增加，复合吸附剂的吸附性能逐渐减小，原因是MgCl2相比于MgSO4具有更高的吸湿能力，但是MgCl2在吸附水蒸气的过程中极易出现潮解现象，而MgSO4虽然吸湿能力不如MgCl2，但具有很高的潮解湿度，与MgCl2混合后可以减小潮解的可能性[28-29]。相比于MXCS-3，该组复合吸附剂的平衡吸附量稍有减小，除了M0CS其余复合吸附剂均未出现明显的潮解现象。

2.1.2 不同温度下的吸附性能 探究吸附温度对复合吸附剂吸附性能的影响。测试了湿度为60%RH时，10，15，20，25 ℃温度条件下，二元盐中MgCl2/MgSO4体积比分别为2∶1,3∶1时对应的复合吸附剂的吸附性能，实验结果见图6。

图6 复合吸附剂在不同温度下的吸附能力Fig.6 Adsorption capacity of composite adsorbent at different temperatures

图6展示了二元盐比例分别为2∶1,3∶1时对应的复合吸附剂在60%RH，4种温度(10,15,20,25 ℃)工况下的吸附量。

由图6可知，随着温度的增加，吸附量出现明显的增加，M5CS-3在60%RH，4个温度工况下的平衡吸附量分别为0.41,0.46,0.57,0.93，M5CS-2在60%RH，4个温度工况下的平衡吸量分别为0.38,0.47,0.60,0.91 g/g。由此可以看出，吸附温度在10～20 ℃范围内时，复合吸附剂的吸附能力随温度增加的幅度较小；M5CS-3、M5CS-2吸附温度由20 ℃增加到25 ℃时，吸附剂的吸附量分别增加了63.16%，51.67%，即吸附量增长的幅度较大，说明该复合吸附剂在中温环境下(25 ℃左右)的吸附能力较好；在低温环境下(低于10 ℃)的吸附能力一般。

2.1.3 盐比例对复合吸附剂吸附性能的影响 对MgCl2/蛭石(M0CS)复合吸附剂进行吸附性能测试时出现明显潮解现象，吸附过程中出现溶液泄露，并用该复合吸附剂应用于实际取水实验，结果表明利用该复合吸附剂进行取水实验会造成吸附床的腐蚀。有研究表明，虽然MgSO4的吸湿能力一般，但MgSO4相比于MgCl2具有更高的潮解相对湿度,二者混合后MgSO4可以有效缓解MgCl2在复合材料中引起的潮解现象[28,30]。因此引进了一种MgCl2/MgSO4/蛭石二元盐复合吸附剂，且该二元盐复合吸附剂对水蒸气仍有较好的吸附能力。实验测试了25 ℃，50%RH、80%RH两种工况下，盐比例分别为1∶1,2∶1,3∶1时对应的复合吸附剂的吸附性能。

图7为不同盐比例的复合吸附剂两种工况下的动态吸附曲线。

图7 不同盐比例浸渍的复合吸附剂在25 ℃，50%RH、80%RH下的吸附曲线 Fig.7 Adsorption curves of composite adsorbents impregnated with different salt ratio at 50% RH and 80% RH

由图7可知，二元盐中MgCl2占的比例越大，对应的复合吸附剂的吸附性能也越来越好，原因是MgCl2比MgSO4的吸湿能力更强，其所占的比例越高，对应的复合吸附剂的吸附性能也越好，但是当MgCl2质量浓度过高、环境湿度过大时容易潮解。吸附工况为25 ℃，80%RH时，M5CS-3在900 min时达到平衡，出现了轻微的潮解现象，M5CS-1、M5CS-2则没有出现潮解，M5CS-3和M5CS-2的平衡吸附量差别不大，相差0.04 g/g，M5CS-2的平衡吸附量是同种工况下M5CS-1吸附量的1.14倍；25 ℃，50%RH工况下，三者在达到平衡时均未出现潮解现象。因此可以看出，在中等湿度的环境下，M5CS-3具有较好的吸附能力，且不会发生潮解；在较高湿度环境下， M5CS-3出现轻微的潮解现象，M5CS-2未见有该现象，应选择M5CS-2复合吸附剂作为空气取水的材料。

2.2 水蒸气脱附

脱附过程在电热鼓风干燥箱进行模拟实验，复合吸附剂在25 ℃，60%RH吸附饱和后放入干燥箱中进行脱附，由于在太阳能吸附式空气取水实验中，脱附过程中太阳能真空管内部的温度一般为100～200 ℃，选取脱附温度分别为110,130,150 ℃。实验结果为，150 ℃脱附时，在80 min左右就可以达到脱附平衡；130,110 ℃的脱附温度下，复合吸附剂分别在100,130 min时内部的水分可以完全脱附出来。因此实际取水实验中，复合吸附剂吸附的水分几乎都可以脱附为水蒸气，进而冷凝为液态水达到取水目的。

3 空气取水实验

基于以上实验基础，在实际环境中对该复合吸附剂进行了空气取水实验，实验时间为2020年12月，实验地点为中国上海。夜间室内温度5～9 ℃，湿度50%左右，室外温度2～6 ℃，湿度60%左右。分别将M0CS、M5CS-1、M5CS-2、M5CS-3复合吸附剂在室内和室外夜间环境下进行吸附12 h，并在白天利用太阳能吸附式空气取水装置将复合吸附剂吸附的水分脱附出来，脱附过程的同时利用小型自动气象数据采集站对太阳辐射数据进行采集。

图8为复合吸附剂在实际环境下的取水实验。

图8 太阳能吸附式空气取水实验Fig.8 Solar adsorption air extraction experimenta.取水装置实物图;b.吸附床腐蚀情况

图8a为取水装置实物图，包括太阳能真空集热管、吸附床、翅片冷凝器、集水瓶、自动气象数据采集站等；图8b自上到下依次为M0CS、M5CS-3、M5CS-2在5次取水循环后对吸附床造成的腐蚀情况。结果表明，M0CS在取水实验后吸附床出现明显的腐蚀现象，说明实验中复合吸附剂在吸附过程中出现溶液的泄露，M5CS-3出现轻微的腐蚀，M5CS-2对应的吸附床则未出现明显的腐蚀，该现象与在恒温恒湿箱中模拟实验的结果基本一致。

空气取水实验中，利用太阳辐射加热太阳能真空管内的空气，使吸附床内复合吸附剂吸附的水分脱附出来，图9为脱附过程中的太阳辐射值,图10为复合吸附剂的实际取水量。

图9 脱附时的太阳辐射值Fig.9 Solar radiation values during desorption

结果表明，M5CS-1、M5CS-2、M5CS-3的实际取水量分别为0.46,0.5,0.52 mL(H2O)/g(吸附剂)，而且由于夜间室外的湿度高于室内，复合吸附剂在室外吸附后的取水量高于室内吸附的取水量，室内吸附后的取水量大约为0.2 mL/g。未出现潮解的M5CS-2复合吸附剂在室外吸附后的实际取水量为0.5 mL/g,利用该取水管可以在缺水地区实现水资源的再生，改善该地区的水资源短缺问题，从而促进该地区的发展。

图10 实际工况下的取水量Fig.10 Water extraction under actual working conditions

4 结论

本文以蛭石为基质，通过浸渍不同质量浓度、不同盐比例的二元盐溶液制备了一种空气取水用蛭石/MgCl2/MgSO4二元盐复合吸附剂，在恒温恒湿箱中测试了在温度为25 ℃，相对湿度分别为50%RH,60%RH,80%RH以及相对湿度为60%RH，温度分别为10,15,20,25 ℃时复合吸附剂对水蒸气的吸附性能；并测试了该复合吸附剂在实际环境工况下的取水能力。分析不同吸附温度、不同吸附相对湿度以及不同配比的盐对复合吸附剂吸附性能的影响，得到如下结论。

(1)当吸附温度一定时，复合吸附剂对水蒸气的吸附性能随着相对湿度的增加而增加。二元盐中MgSO4质量分数为5%时对应的复合吸附剂均表现出很好的水蒸气吸附能力，在25 ℃、RH=80%工况下M5CS-1、M5CS-2、M5CS-3复合吸附剂的吸附量分别达到了1.19,1.35,1.39 g/g，M0CS在吸附过程中出现明显的潮解现象，不能应用于空气取水实验。

(2)当吸附时环境的相对湿度一定时，吸附温度在10～25 ℃的中低温范围内，随着吸附温度的增加，吸附量逐渐增加。吸附温度在10～20 ℃的范围内，复合吸附剂的吸附能力随温度增加的幅度较小；M5CS-3、M5CS-2吸附温度由20 ℃增加到25 ℃时，吸附剂的吸附量增加的幅度较大，分别增加了63.16%,51.67%。

(3)当温湿度一定时，随着MgCl2/MgSO4盐比例的增加，复合吸附剂的吸附能力逐渐增大，而且随着吸附过程的进行，满足碰撞概率理论，吸附速率逐渐减小。25 ℃，80%RH时，M5CS-3在900 min时达到平衡，出现了轻微的潮解现象，M5CS-1、M5CS-2则没有出现潮解，M5CS-2的吸附量为1.35g/g；25 ℃、50%RH工况下，三者在600 min达到平衡时均未出现潮解现象，M5CS-2、M5CS-3的平衡吸附量为0.64,0.66 g/g。

(4)在实际环境工况进行取水实验，5次循环后，M0CS复合吸附剂出现溶液泄露，对吸附床造成明显的腐蚀，M5CS-3造成轻微的腐蚀，M5CS-1、M5CS-2在实验后未见有腐蚀现象。M5CS-1、M5CS-2、M5CS-3复合吸附剂的实际取水量分别为0.46,0.5,0.52 mL(H2O)/g(吸附剂)。在本实验中优选M5CS-2复合吸附剂应用于太阳能吸附式空气取水。