吸附法大气降水的热力学分析与优化( Thermodynamic analysis and optimization of adsorption-based atmospheric water harvesting )

H Kim SR Rao A Lapotin S Lee EN Wang

基于吸附的大气集水(AWH)技术可以在基础设施有限的干旱和缺水地区实现分散和分布式供水。近年来，新型吸附剂如金属-有机骨架（MOFs）和先进的沸石等的发展，具有在低湿度下的高吸附能力和易于再生的特点，预示着高效AWH技术的发展。然而，基于材料基本特性的全面热力学分析来预测最佳操作参数和系统级效率还没有得到追求。在这项工作中，我们提出了一个广义的理论框架来优化热驱动吸附基AWH系统的能量性能，利用基本材料特性，如吸附等温线。根据热力学第一定律和第二定律，以最近报道的具有阶梯吸附等温线的MOFs(MOF-801、MOF-303和Ni2Cl2BTDD)为例，给出了每种MOF的AWH系统级理论效率。我们展示了来自实际可实现的低品位热源（高达100°C)的热源温度对整体效率的影响。我们还提出了级联系统的概念，该系统串联操作两个吸附剂床，通过捕获第一个床的冷凝热，可以提高整体效率。在相对湿度低于40%的环境条件下，即典型的干旱气候条件下，我们得到了MOF-801和MOF-303的理论热效率和第二定律效率分别为0.33和0.18,Ni2Cl2BTDD的理论热效率和第二定律效率分别为0.56和0.19。对于级联系统，用Ni2Cl2BTDD可以获得0.7的热效率和0.23的第二定律效率，比现有的制冷系统高出一个数量级。我们提出的框架可以确定最佳的操作参数，并能够利用AWH和其他相关应用的材料特性进行系统级预测，包括热能储存、除湿和海水淡化。

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