【MOF-801吸湿】基于吸附作用的干旱气候大气集水装置

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摘要：
针对干旱地区水资源短缺问题，本文研发了以MOF-801为吸附剂的空冷式大气集水装置，在10%-40%相对湿度、露点低于零度的极端干旱环境中，热效率达14%，单日常循环每千克MOF可产水超0.25升，且水质无污染物。

研究背景：
行业问题和研究现状：干旱地区水资源匮乏，传统冷凝集水技术在低湿度下能耗极高，太阳能驱动的吸附式集水技术虽具潜力，但缺乏在极端干旱环境下的实际验证。
本文创新：选用MOF-801作为吸附剂，优化装置设计，结合夜间辐射冷却提升吸附效率，采用光聚光技术强化解吸，实现极端干旱环境下高效集水。

实验部分：
1. MOF-801合成：将富马酸与ZrOCl₂·8H₂O溶于DMF和甲酸混合溶剂，130℃反应6小时，经洗涤、真空干燥活化，得白色粉末产物。
2. 装置搭建：构建含MOF吸附层、空冷冷凝器的装置，吸附层背部涂黑色涂层，搭配OTTI气凝胶减少热损失，加装双凸透镜实现1.8×光聚光。
3. 集水实验：2017年5月在亚利桑那州坦佩市开展5次循环实验，夜间吸附（20:00-次日6:00）、日间解吸（10:00-13:40），记录温度、湿度、太阳辐照度等数据。

分析测试：
1. MOF-801表征：比表面积通过BET法测得孔容0.3425cm³/g，颗粒密度1400±20kg/m³，在30%相对湿度下平衡吸水率约0.25kg/kg。
2. 气凝胶性能：8mm厚OTTI气凝胶太阳透射率0.94，导热系数<0.03W·m⁻¹·K⁻¹。
3. 水质检测：ICP-MS检测锆离子含量<1ppb，红外光谱未检出富马酸有机连接体，水质无污染。
4. 机理揭示：MOF-801的阶梯式吸附等温线使温湿度小幅变化即可高效吸脱附，辐射冷却和光聚光技术提升了低湿度下的集水效率。

总结：
主要研究结果：实现极端干旱环境下高效集水，明确装置结构与操作参数的优化效果，验证MOF-801的稳定性和集水性能。
创新突破：首次在10%-40%相对湿度环境中验证MOF基集水装置，结合辐射冷却与光聚光技术提升系统效率。
潜在意义：为干旱地区水资源供应提供新方案，推动MOF材料在大气集水领域的应用。

Adsorption-based atmospheric water harvesting device for arid climates
文章作者：Hyunho Kim, Sameer R. Rao, Eugene A. Kapustin, Lin Zhao, Sungwoo Yang, Omar M. Yaghi, Evelyn N. Wang
DOI：10.1038/s41467-018-03162-7
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-03162-7

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