[发明专利]收集水蒸气的装置

说明书

一种收集大气水的装置，其包括具有透光上表面和出水口的冷凝室。装置还包括布置在冷凝室下方的收集大气水的室，该收集大气水的室容纳有收集大气水的材料并具有底表面和顶表面，所述底表面具有接收环境空气的开口，所述顶表面具有开口以允许通过收集大气水的材料由于太阳能辐射到冷凝室的透光上表面上所产生的热量而使从环境空气捕集的大气水进入冷凝室。

本申请是申请号为“201980032835.6”、申请日为2019年04月03日、发明名称为“收集水蒸气的材料和装置”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本文公开的主题的实施方案总体上涉及用于使用包含易潮解的盐和光热剂的聚合物水凝胶来收集大气水蒸气的装置、材料和方法。

背景技术

水对于这个星球上的生命是必需的。但是，世界上许多地区没有随时取用的水。此外，即使是可以使用水的区域，可用的水也可能不适合人类饮用。例如，可用的水可能是来自海洋的盐水，其中所含的钠太多，无法以维持人类生命所需的量用于饮用。

地球大气是一种随时可获得的水源，几乎可以在地球上的任何地方使用地球大气，并且地球大气含有大约129000亿吨淡水。因此，已经在获取大气水蒸气来为干旱地区、内陆地区和偏远社区提供清洁水方面进行了大量研究。最有希望的常规收集大气水的装置使用水吸附剂来捕集大气水蒸气以及使用太阳能来释放捕集的用于饮用的大气水蒸气。使用太阳能释放捕集的大气水是有利的，因为该装置不需要外部电源从水吸附剂中解吸捕集的大气水。

为了节省成本并鼓励广泛采用，收集大气水的装置应包括水吸附剂，使得即使在相对低的湿度条件下也能够从空气中吸收大量的水，并且能够在相对较低的温度下释放经吸收的水。例如硅胶、沸石、活性氧化铝的常规干燥剂通常具有宽的水蒸气吸收窗口，但要有效释放捕集的水，则它们需要高温(160℃)，这通常超出了简单的基于太阳能光热的加热装置所能够提供的温度。

文献[1]公开了由聚丙烯酸钠粉末与氯化锂溶液形成的固体超级干燥剂。该干燥剂可以在低于80℃的温度下再生，即可以释放吸收的水。尽管文献[1]没有公开可以在低于80℃多少的温度下再生干燥剂，但是使用太阳辐射将超级干燥剂加热至大约80℃需要非常强的太阳光线。因此，文献[1]中公开的解决方案只能在有限的环境条件下产生水。

文献[2]公开了一种水凝胶复合干燥剂，其组成为由氯化钙(CaCl₂)形式的吸湿性盐浸渍的多孔聚(N-异丙基丙烯酰胺)。具体而言，将氯化钙浸渍在热响应性聚合物基质-双网络Al-褐藻酸盐/PNIPPAm水凝胶中。水凝胶复合干燥剂是热响应性聚合物，其是温度诱导的相转移材料。当温度低时，聚合物表现出亲水润湿行为，其中水可以被吸收到交联结构中。当温度高于特定值(称为最低临界共溶温度，LCST)时，聚合物转化为疏水润湿行为，其中聚合物链将收缩并挤出水。

因为PNIPAAm是静电交联的水凝胶，所以浸润溶液的离子强度(即盐溶液的浓度)将显著影响其相变性能，这似乎是文献[2]公开可以将非常有限的盐加载到水凝胶中的原因。

文献[2]中公开的水凝胶的一个问题是其需要足以提高水凝胶温度以使其转化为疏水相的热源。这通常涉及燃烧化石燃料的热源，因此需要额外的化石燃料能量输入才能将水蒸气转化为水。

文献[2]中公开的水凝胶的另一个问题涉及其水释放过程。当温度高于LCST时，由于亲水性向疏水性的转化，聚合物链/交联将收缩。因此，水在其原始位置被“留下”。此过程将导致严重的盐洗去，并且从水凝胶中沉淀出来的吸湿性物质以及其他杂质将污染收集的水。此外，盐洗去会导致吸收剂的水吸收性能下降，因此，需要偶尔向水凝胶中添加盐以保持其水吸收性能。

因此，需要一种收集大气水的材料，其能够吸收大量的大气水蒸气并且能够在相对较低的温度下安全地解吸大气水蒸气而无需化石燃料加热源、和/或其可以产生纯净水而不是盐污染的水。

发明内容