1 前言

水是自然环境中最丰富的资源，地球的总储水量约为1.386×10¹⁸ m^3[1]，但可直接使用的淡水资源非常有限，仅占水资源总量的0.36%，这部分水资源主要存在于地下、地表及空气中^[2~4]。空气是淡水资源存在的重要场所之一，据估算，整个大气层中约含1.4×10⁷ m³的水蒸汽，为地表淡水总量的12倍左右^{[5, 6]}。可见，空气中储水量巨大，若能采用行之有效的方法从空气中获取淡水，将成为解决淡水资源匮乏的有效途径。

根据所采用方法的不同，空气取水技术可分为常规方法和非常规方法两大类。常规方法是指降雨时收集雨水，即“靠天取水”^[7]；非常规方法是指将湿空气中以水蒸汽或微小水滴形式存在的水资源转化为液态水的方法，这类方法因其使用时间、空间不受限制，可有效解决某些特殊时期、特殊环境下淡水获取困难的问题，近年来受到广泛关注。研究的焦点主要集中在制冷结露、吸附及聚雾取水等方法上。

2 制冷结露法

制冷结露法是将湿空气温度降到露点以下，使其中的水蒸汽结露而获得液态水^[8]。从图 1可知，在给定的大气压力下，已知湿空气的两个独立状态参数温度及湿含量，可在图中确定唯一的初状态点W和末状态点L。在冷却结露的过程中，湿空气从初状态点降温到露点(W~A)，空气达到饱和状态，进一步冷却时空气始终在饱和状态下，水蒸气在冷凝壁面上不断冷凝出来(A~B)，设法除去凝结水后，将所得的空气加热(B~L)，达到空气取水的目的，单位质量空气的凝结水量为m = H_W-H_L，即两个状态点的湿含量之差。

Khalil A^[9]将湿空气通过冷却的盘管，收集盘管表面的冷凝水以获取淡水。Scrivani A^[10]采用常规冷水机组直接冷却湿空气获取其中的水份，通过分析冷却/除湿过程，发现只有在高湿的地区，该法才具有较高的效能比和一定的推广价值，这与Wahlgren^[11]的分析结果一致。Wahlgren发现当湿空气的密度 > 10.9 g·m^-3时，一台40%效能、10m³·h^-1空气流速的设备，一天可生产36.7 m³淡水，此时具有很好的经济和社会效益。虽然通过优化设计方案、传热及传质速率参数，可提高淡水获取率、降低吨水能耗，但利用常规能源进行空气取水仍需消耗大量电能，极大地限制了其在能源比较缺乏、无电网铺设地区的推广与使用，为此，寻求一种价格相对便宜的新能源代替常规能源成为制冷结露法亟待解决的问题。

太阳能具有可再生、绿色无污染等优点，可为空气取水器提供能源，通常水资源严重匮乏、常规能源短缺的干旱、半干旱地区往往拥有丰富的太阳能资源。同时，随着太阳能光伏产业的迅速发展、新能源技术的长足进步，太阳能驱动的冷凝器有了良好的技术支撑。Scrivani A^[10]通过计算系统能耗，考察太阳能提供冷却系统所需能源，指出太阳能冷凝器具有很好的应用前景，与其它加热/冷却系统连用，甚至可以达到“零成本”运行的目标。陈香^[12]等设计一种太阳能空气凝水器，给出详细的设计方案，同时对其内部结构进行优化，为太阳能冷凝器从构想到实体提供依据。Hamed^[13]利用太阳能加热氯化钙砂床回收大气中的水，评估系统设计参数和气候条件对系统生产力的影响。实验测量表明，在塔伊夫的气候条件下，设备产水量1L·m^-2。

综上所述，利用太阳能作为驱动力的冷凝器可有效降低运行成本、提高取水率、具有较高的效能比，可广泛应用于缺水地区。但是，在太阳能冷凝器的推广过程中，仍存在很大阻力，如已报道的太阳能冷凝器多采用金属冷凝面，存在冷却效果差、单机取水量低、体积庞大、整机集成度不足、操作不便等缺点。高效的吸附式取水器集成程度高，可有效解决太阳能冷凝器的上述问题，满足不同应用场合的需求，正逐渐受到人们的关注。

3 吸附法

吸附法是利用环境空气中水蒸汽压与吸附剂表面水蒸汽压的差值作为吸湿动力，再利用外界能量提高吸附剂的表面水蒸汽压来解吸再生，解吸的同时冷凝水蒸汽得到淡水。高性能吸附材料的研发和高效吸附式取水器的设计是吸附法研究的重点。

3.1 吸附材料

吸附材料是吸附法空气取水的关键，对空气取水的运作方式和效率起着决定性的作用。空气取水吸附剂分为常规吸附剂和改性吸附剂两大类。常规吸附剂主要有无机盐(LiCl、LiBr、CaCl₂)及其溶液、硅胶、活性炭、分子筛等^[14~18]。该类吸附剂是迄今为止研究最多、品类最全的材料之一，但都存在各自的缺点，如腐蚀性强、吸附率低、破碎率高、解吸困难等，在实际的应用过程中较少使用。

为了提高吸附效率、推动空气取水技术的发展，国内外科研工作者在吸附剂改性方面做了大量工作，主要采用硅胶、分子筛与无机盐复合制备改性材料，大大提高了吸附剂的最大取水率。郝刘仓^[19]采用FNG硅胶和LiCl制备了复合吸附剂，该复合吸附剂的吸附性能远高于常规4A分子筛吸附剂。刘业凤^[20~22]制备了一种新型复合吸附剂SiO₂·xH₂O·yCaCl₂，发现其在恒温25℃、空气相对湿度40%的条件下，平衡吸附量显著提高，最大取水率为40 g H₂O/ 100 g，是粗孔硅胶的5.7倍，细孔球形硅胶的2.1倍，人工沸石13X的1.9倍，椰壳活性炭的6.8倍。季建刚等^{[23, 24]}研究了一种高效的以超大孔分子筛MCM–41为基质、无机盐CaCl₂填充的空气取水器吸附剂，该吸附剂最大吸附水能力达175%，比分子筛和硅胶高130~150%，比硅胶和CaCl₂复合物高85%，在80℃条件下，可脱附90%以上的吸附水量。Kim H^[25]报告了一种基于多孔金属有机框架MOF-801材料的装置设计和运行参数，以低品位热能(< 1 kW·m^-2)为热源，在空气相对湿度低至20%的情况下，MOF-801最大吸水能力达280%。改性吸附剂大大提高吸附量(最大吸附量从40%增大到280%)、降低吸附/再生浓度差、降低吸附/解吸温度、提高效能，该类材料的成功研制推动了吸附式取水器的发展。

3.2 吸附式取水器

吸附式取水器是以吸附剂为核心，具有较高集成度的空气取水器，其取水能力与运行效率主要由吸附剂的性能如吸附剂填充量、吸附饱和与再生后的浓度差、吸附/解吸温度等因素决定，这部分研究进展见3.1。此外，吸附式取水器的效能与对流速度、对流强度^[26]、传递过程^[27~32]、空气初始湿度及最终湿度等因素相关，对流速度快、对流强度高、传递过程短、初始湿度高、最终湿度低，吸附式取水器效能高。与制冷结露法相同，利用太阳能也是吸附式取水器的研究方向，代表着未来吸附法的发展趋势，侴乔力等^[33]对太阳能吸附法和太阳能制冷结露法的优缺点进行比较分析，并系统地研究该方法的能量传递过程、系统环境的影响并进一步优化系统参数，提高系统取水效率，提出太阳能吸附式空气取水器是有可能只利用太阳能从空气中取水的。赵惠忠^[34]模拟计算吸附式太阳能水管的取水效率，发现当管内的空气最大流速约为2.45 m×s^-1时，单只太阳能水管每天取水量约0.753 L。由20只太阳能水管组成的太阳能空气取水系统，每天可以获得淡水约15 L，该系统可为沙漠等缺水地区的人们提供饮用水。

尽管吸附法空气取水技术取得了长足发展，但仍存在取水率低的弊端，在一定程度上限制了它的大面积推广。

4 聚雾取水法

聚雾取水法是一种利用高效取水材料，将空气中的小水滴捕获分离出的方法^[35]，因其可以解决制冷结露法的高能耗、吸附法的低取水率等问题，正逐渐受到人们的关注。

4.1 聚雾取水材料

正如吸附材料是吸附法的核心，聚雾取水材料对聚雾取水法也起到决定性的作用。人工仿生材料是聚雾取水材料的一种，它是根据自然界生物材料的结构与规律，设计、制造出来的，因其具有优良的集水性能，是聚雾取水材料的研究重点。目前，人们研究的具有集水功能的自然界生物多达两百多种^[36]，其中研究最多的是沙漠甲虫、仙人掌、蜘蛛^[37]等。

沙漠甲虫是一种生活在极度炎热干旱的纳米比亚沙漠中的生物，它可利用其背部收集空气中的水蒸汽。2011年Andrew^[38]对其背部结构进行了研究，发现沙漠甲虫背部由很多无规则的直径约0.5 mm、间距0.5~1.5 mm的突起构成；突起顶部与侧斜面、底面基体分别具备亲水性和疏水性；侧斜面、底面基体表面上有很多呈规则的六边形排列，直径约10 μm (见图 2)。基于Andrew的发现，Wang^[39]开发了一种简便、易操作、成本低的制备方法，该方法采用超疏水性纱布对亲水聚砜片进行热压，精确控制图案外观和图案尺寸，实现同种材料中亲水-疏水性能的网格分布，该材料具有优良的雾水收集性能。Wang^[40]将两个过渡金属Fe和Co涂覆在市售的织物上，选用低表面能的十八硫醇作为改性剂，选择性改性Co纳米颗粒获得疏水性纳米颗粒，而在相同的条件下，铁纳米颗粒则不能被改性，保留其亲水性，同样实现了同种材料中亲水-疏水性能的规则分布及获取聚雾取水材料的目的。

被誉为“沙漠之花”的仙人掌，在集水、储水能力方面表现突出。Ju^[41]研究了一种名叫O. microdasys的仙人掌表面结构，通过电镜图片发现：仙人掌表面有一个分布均匀的阵列，距离范围为7~ 23 mm，在茎的表面有大量针状棘(图 3a~c)；单个脊椎由各向异性的不同结构部分组成(图 3d)，这种结构引起纵向方位的拉普拉斯压力差，使静态的雾状水在该材料表面被自发地、不断地、定向地输送(图 3e~g)。在仙人掌脊柱结构的启发下，Peng采用磁诱导法制备柔性锥形阵列排布的聚雾取水材料^[42]，与仙人掌水传递过程一样，静态的雾状水可以自发地、不断地从尖端向脊椎的底部定向输送。采用该材料的磁感应雾收集系统在无风、多雾地区具有很好的应用前景。

2010年Zheng^[43]发现蛛丝除了具有极强的刚性、弹性外，还具有良好的集水性，通过研究蛛丝的微观结构，详细地阐述了蛛丝聚雾取水的机理(图 4)。他们发现蛛丝表面具有无数个随机分布的海绵状结构，在高湿度的环境中，其表面吸收水汽，海绵状结构发生变化(图 4a~c)，形成随机分布的纺锤节，这种结构导致蛛丝在纵向具有表面能梯度和拉普拉斯压差，冷凝的水滴在这两种力的作用下，沿主轴连续聚集、定向采集(图 4d~f)。该发现为蛛丝仿生材料的发展奠定了基础，此后出现了许多制备蛛丝仿生材料的方法，主要有浸涂法、流体涂布法、电动法和微流体法^[44]。Bai H^{[45, 46]}采用浸涂法、流体涂布法分别制备了四种聚合物的仿蛛丝材料，发现制备条件及仿生材料表面形貌对集水性能起着至关重要的作用，通过条件优化可实现规模化制备。Tian^[47]采用电动法，选用黏度低可喷涂外流体、高黏度可纺丝内流体，利用材料对环境的智能响应变化不同，外流体形成“珠”部分，而内流体形成“弦”部分，制备珠-串异质纤维。He ^[48]采用微流体技术制造蜘蛛丝纤维，通过简单地改变流量精确调整所得的蜘蛛丝状纤维的结构，组装成不同的二维和三维结构。研究发现，四种制备方法所得到的纺锤丝结构材料都具有良好的聚雾取水性能。

4.2 聚雾取水器

聚雾取水器是以聚雾取水材料为基础的一类空气取水器，非盈利性的教育和宣传组织Green Futures报道了三种空气取水器：Pak K对沙漠甲虫仿生设计的晨露收集器Dew Bank Bottle，该收集器采用的金属外表材料，可抓住露珠并最终将汇集的水珠收集到容器内；以色列工学院的Cory J发明了“水空气”(WatAir)，该灵感来自树叶收集露水的特性，据报道一套面积为30 m²的设备每天可从空气中提取至少48 L淡水；麻省理工学院科研人员设计了聚烯烃材料编织网收集雾水，以上三种取水器可满足不同群体的需要。此外，Gandhidasan P^[49]设计和制造三种相同的标准雾收集器与两种收集材料组合，并进一步考虑地形、海拔和方位等因素对取水器效率的影响，结果发现，空气相对湿度大于95%时最大取水率为22.9 L·m^-2·d^-1。聚雾取水器具有不需要能源驱动、取水率高、可满足不同群体需要等优点，但也存在仿生材料成果转化率低、制备成本高、规模化应用难等不足，因而，其推广应用仍具有一定的难度。

5 三种取水器的应用特点

如上所述，随着制冷结露、吸附和聚雾取水仿生材料的发展，三种取水器的研究与应用取得了很大进步。三种取水器因其原理不同，具有各自的应用特点(见表 1)。

6 研究前景与应用发展趋势

非常规空气取水技术及其材料、装备的发展与应用为淡水缺乏的地区，尤其是高温干燥的沙漠地区和潮湿的海岛提供了一个新的获取淡水资源的途径，但该技术仍处于初级发展阶段，存在环境要求高、效能低、成果转化不足等缺点，导致其推广与应用受到限制，未来该技术的研究前景与应用发展趋势主要体现在以下几点：

1) 推动空气取水技术核心材料的研发，通过仿生技术成功探明材料多功能结构与多功能性能间的关系，加快材料性能优化及新材料的开发与应用，改进、提高当前空气取水技术的性能。

2) 拓宽研究领域，发现更多自然界生物材料的结构与规律，指导设计、制造低成本人工材料，实现仿生材料从研究到规模化应用的跨越。

3) 促进集成技术的协同发展，加强非常规能源开发利用、高性能空气取水材料的研制，将节能和环保理念与取水器相结合，实现定制化设计，满足不同地区和环境的需求。

4) 淡水缺乏地区往往人口相对分散，对淡水的需求量较小，因此，改性金属冷凝面的表面，降低表面能，提高热传导率，或采用非金属冷凝面，通过集成化设计，研制“小而精”的取水器，有望率先实现空气取水技术的实际应用。