[發明專利]有源大氣水分收集器

有效

• 申請號: 201980061969.0
• 申請日: 2019-08-13
• 公開（公告）號: CN112739875B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: O·M·亞吉;M·S·普雷沃特;N·哈尼克爾;E·A·卡普斯汀;F·法蒂赫
• 申請（專利權）人: 加利福尼亞大學董事會
• 主分類號: B01J20/22
• 分類號: B01J20/22;E03B3/28
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 郭廣迅

本文提供的是大氣水分收集器系統，其包括兩個具有水捕獲材料如金屬?有機骨架(MOF)的床、加熱器、兩個風扇以及具有兩側的冷凝器，其可操作地被配置為吸附模式和解吸附模式，其中MOF床是可互換的，以在解吸附模式和水吸附模式之間循環。所述系統還可包括驅動風扇和冷凝器的光伏面板。

相關申請的交叉引用

本申請要求于2019年8月14日提交的第62/718,895號美國臨時專利申請的優先權，其通過引用整體并入本文。

領域

本公開內容一般地涉及水收集，并且更具體地涉及使用兩個協同操作以將周圍空氣轉化成液態水的水分吸附單元的用于水收集的系統和方法。

背景

隨著全球人口持續增長和地球平均溫度不斷升高，水短缺預計將會惡化，導致到2025年，在獲取水資源和相關的水服務方面的重大挑戰¹。在過去幾年里，已經實施了若干構思和行動框架，優先考慮積極的政策(如擴大設施、新的水價政策)和開發創新技術(如淡化、從霧中的水收集)以應對水危機^2-5。然而，尚未開發和實施可靠的水生產技術，特別是對于干燥的地區，以解決未來的水短缺。

目前用于從潮濕的空氣^5-8和霧^2-4中結露水的技術需要經常出現100％相對濕度(RH)或大量能量輸入，這阻礙它們在大多數地方的應用，并阻礙在沙漠環境中的使用⁹。

已經開發了基于MOF的包含MOF-801吸附劑的無源大氣水分收集器¹⁰。這種完全無源的裝置(即沒有所需的能量輸入)每天每千克吸附劑可產生約0.1升的液態水。

因此，本領域中需要的是能夠可靠地操作的水收集器，包括在干燥的地區中。此外，需要的是能夠以較高的體積，優選地以低能量輸入產生液體的水收集器。

簡述

在一些方面，本文公開的發明涉及有源大氣水分收集器，其可以使用水捕獲材料如金屬-有機骨架(MOF)從干旱的空氣中產生水。

在一些變型中，即使在干旱的條件下(例如，30％RH)，有源大氣水分收集器依靠高效的MOF吸附劑可逆地從大氣中吸附水和釋放水。此外，本文所述的有源大氣水分收集器需要僅很少的能量輸入，例如每千克水捕獲材料大約100-200Wh，這可以容易地通過光伏電力提供，因為干旱的環境通常也經歷高的太陽光強度，或者由任何低等級能源提供。此外，本文公開的有源大氣水分收集器每天每千克吸附劑(或水捕獲材料)可產生＞1升的液態水體積。

本文提供通過連續的吸附-解吸附循環以從干旱(通常相對濕度30％)的空氣中提取和冷凝水的方法、裝置和系統。一方面，提供一種太陽能驅動的獨立式裝置，其包括高度多孔且水穩定的金屬-有機骨架(MOF)床，作為合適的水捕獲材料的一個實例。

MOF吸附劑表現出目前商品材料中未發現的優點的組合：i)高水吸收能力，ii)在低RH(20％RH)下急劇的水吸收，iii)高循環性能和穩定性。例如，盡管微孔沸石在非常低的RH下會表現出急劇的吸收，但由于吸附的水與多孔材料之間非常強的相互作用，它們的可回收性是高度能量密集的。相比之下，MOF呈現出高的結構和化學可調性，允許目前商品吸附劑無法實現的定制的水吸附性質。

MOF可以選擇性地和可逆地從空氣中吸附水，其中吸附和解吸附之間的循環容易受到溫度波動的影響—這是目前商品吸附劑材料無法實現的。為了允許快速的溫度和濕度波動，在一些實施方案中，有源大氣水分收集器還涉及加熱元件(例如，太陽能加熱器或電阻)以及風扇和有源冷卻器單元，它們都可以由光伏模塊、發電機或電力設施線路驅動。MOF被分為兩個床，允許一個床中釋放水，而另一個床則吸附水。這確保了吸附劑的快速循環，并允許本發明從干旱的空氣中產生較大體積的液態水，例如每天每千克MOF超過1L的液態水。