CN109056902A - 一种从大气空气中提取水的设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大气空气提水技术领域，具体涉及一种从大气空气中提取水的设备及其方法，通过采用固态吸附剂对大气中水分子进行吸附，待吸附完成后，将吸附剂放置在密闭容器中，通过加热进行水分子的脱附，并通过进一步蒸发、冷凝，获得液态水。在脱附、蒸发、冷凝的过程中，为了提升能量的利用效率，本发明也涉及了部分能量的循环利用，吸附剂包括化学吸附剂和物理吸附剂，吸附剂与水发生可逆化学反应，生成对应的水和物的物质，将物理吸附剂增加化学吸附剂与空气中水分接触的比表面积，同时以防化学吸附剂多次吸附脱附，形成颗粒晶体，提升了单位时间内可供吸附的空气总量，提升吸附效率。

Description

一种从大气空气中提取水的设备及其方法

技术领域

本发明涉及大气空气提水技术领域，具体涉及一种从大气空气中提取水的设备及其方法。

背景技术

在地球上的许多地方，尤其是在半干旱或干旱地区，例如，在以色列、埃及和撒哈拉地带的部分地区以及在众多距海洋很远的炎热的沙漠中，至少没有供全年使用的饮用水储备。除了运输饮用水之外，在此仅有从湿空气提供饮用水的可能。

如今通过可逆化学反应，使用吸附剂，经过吸附、脱附、蒸发、冷凝，从空气中获得液态水。

已知通过压缩空气以提升单位体积内空气中水分子浓度或者冷却空气将封闭空间内的空气温度降低到露点以下，从而获取液态水的方法(参考 CN200410016871.9)。

这种方法需要对密闭空间内的空气进行压缩或者冷却，由于大气中水含量很低，通常仅为每立方米1.4克至每立方米30克，如果要大量获取液态水，这种方法能耗高，效率低，不具备经济可行性。

此外，已知以液态盐水作为吸附剂，从大气空气中提取水的方法(参考CN102482869B)。

这种方法采用液态盐水作为吸附剂，虽然其通过复杂的设计，在一定程度上增大了液体的表面积，但跟空气接触面积仍相对较低，且随着液体表面积的增加，蒸发作用也将变大，其在沙漠等相对湿度较低，蒸发量大环境下的有效性存疑，另外，这种方法未曾给出完整的液态水获得方法。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题。

为实现上述的问题，本发明提供了如下技术方案：

一种从大气空气中提取水的设备，包括辅助蒸发系统，所述辅助蒸发系统包括密闭容器、冷凝器和水蒸气导管，所述密闭容器为脱附-蒸发塔，所述脱附-蒸发塔通过水蒸气导管与冷凝器连接。

本发明的进一步改进，所述吸附剂放置在密闭容器中，用于对大气中水分子进行吸附。

本发明的进一步改进，所述吸附剂包括化学吸附剂和物理吸附剂，将所述物理吸附剂增加化学吸附剂，形成颗粒晶体。

本发明的进一步改进，所述吸附箱放入脱附-蒸发塔内，用于后续的脱水和蒸发。

本发明的进一步改进，所述吸附剂释放在结合水中，通过辅助蒸发系统加热，将水蒸气进入所述冷凝器中，所述冷凝器，用于放出、回收热量。

本发明的进一步改进，吸附箱和脱附-蒸发塔为一体化设计或分体式设计。

本发明的进一步改进，多个所述冷凝器串联，用于脱附-蒸发塔的加热。

本发明的进一步改进，该设备包括外包装，所述外包装为薄膜状材料，所述外包装通过装填吸附剂，形成吸附带，所述吸附带内的吸附剂为松散的粉末状。

本发明的进一步改进，所述吸附箱由吸附板组成，所述吸附板呈平行间隔排列，供空气流动。

10、一种从大气空气中提取水的方法，包括以下步骤：

1)、利用固态吸附剂对大气中水分子进行吸附，待吸附完成后，将吸附剂放置在所述密闭容器中，通过加热进行水分子的脱附，并通过进一步蒸发、冷凝，获得液态水；

2)、所述吸附剂包括化学吸附剂和物理吸附剂，吸附剂与水发生可逆化学反应，生成对应的水和物的物质，将物理吸附剂增加化学吸附剂与空气中水分接触的比表面积，同时以防化学吸附剂多次吸附脱附，形成颗粒晶体；

3)、待吸附完成后，进行脱附，将吸附箱放入所述脱附-蒸发塔内，进行后续的脱水、蒸发；

4)、在所述吸附箱已放置于脱附-蒸发塔内，并完成脱附-蒸发塔的密闭后，对吸附剂进行加热，加热方式可以为微波辐射加热，热空气对流加热或热传导加热，能量来源为太阳能或电能或工业余热或核能或化石能源(煤、石油、天然气等)燃烧；

5)、所述吸附剂在加热过程中通过化学反应释放在大气中吸附的结合水，继续加热，或使用所述辅助蒸发系统，其所释放水分，将蒸发为水蒸气进入冷凝器中，在冷凝器中，水蒸气将随着管道温度的下降，凝结为液态水，并放出热量，可在冷凝阶段回收热量；

6)、将完成了脱附、蒸发过程的吸附箱，重新放置于大气环境中；

、将吸附箱放置在大气环境中，进行空气中水的吸附。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用固体粉末状吸附剂进行水分子的吸附和脱附。

2、本发明通过一系列设计，提升了固体粉末状吸附剂与空气的接触面积，提升了单位时间内可供吸附的空气总量，提升吸附效率。

3、本发明通过可逆化学反应进行水分子的吸附和脱附，不受空气湿度的局限，即使在沙漠等干燥空气环境中仍然高效。

4、本发明具备较高的能效，具备大规模从大气中获取水的可行性。

5、本发明占地面积相对较小，具备工业化实施的条件。

6、本发明采用固态吸附剂对大气中水分子进行吸附，待吸附完成后，将吸附剂放置在密闭容器中，通过加热进行水分子的脱附，并通过进一步蒸发、冷凝，获得液态水。在脱附、蒸发、冷凝的过程中，为了提升能量的利用效率，还涉及了部分能量的循环利用。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的整体描述的原理示意图。

图2为本发明的吸附带的正视示意图。

图3为本发明的吸附带的俯视示意图。

图4为本发明的吸附板的正视示意图。

图5为本发明的吸附板的俯视示意图。

图6为本发明的吸附箱的局部侧视图示意图。

图7为本发明的吸附箱固定放置于脱附-蒸发塔中的一体化装置结构示意图。

图8为本发明的吸附箱与脱附-蒸发塔分体放置的装置结构示意图。

图9为本发明的进入脱附-蒸发阶段的装置结构示意图。

图10为本发明的为能量循环利用示意图。

具体实施方式

参见图1-10，本发明公开的一种从大气空气中提取水的设备，包括辅助蒸发系统，所述辅助蒸发系统包括密闭容器、冷凝器和水蒸气导管，所述密闭容器为脱附-蒸发塔，所述脱附-蒸发塔通过水蒸气导管与冷凝器连接；所述吸附剂放置在密闭容器中，用于对大气中水分子进行吸附；所述吸附剂包括化学吸附剂和物理吸附剂，将所述物理吸附剂增加化学吸附剂，形成颗粒晶体；所述吸附箱放入脱附-蒸发塔内，用于后续的脱水和蒸发；所述吸附剂释放在结合水中，通过辅助蒸发系统加热，将水蒸气进入所述冷凝器中，所述冷凝器，用于放出、回收热量；吸附箱和脱附-蒸发塔为一体化设计或分体式设计；多个所述冷凝器串联，用于脱附-蒸发塔的加热；该设备包括外包装，所述外包装为薄膜状材料，所述外包装通过装填吸附剂，形成吸附带，所述吸附带内的吸附剂为松散的粉末状；所述吸附箱由吸附板组成，所述吸附板呈平行间隔排列，供空气流动。

采用固态吸附剂对大气中水分子进行吸附，待吸附完成后，将吸附剂放置在密闭容器中，通过加热进行水分子的脱附，并通过进一步蒸发、冷凝，获得液态水。(见图1)在脱附、蒸发、冷凝的过程中，为了提升能量的利用效率，本发明也涉及了部分能量的循环利用；所述辅助蒸发系统包括密闭容器、冷凝器和水蒸气导管，所述密闭容器为脱附-蒸发塔，所述脱附-蒸发塔通过水蒸气导管与冷凝器连接。

1、本发明可以与水发生可逆化学反应，生成对应的水和物的物质作为化学吸附剂(包括但不限于氯化锂、氯化钙、氯化镁、溴化锂，硫酸钙、硫酸铜、碳酸钾、高氯酸镁、氧化铝等的纯净物、混合物或水合物)与具有较高比表面积、且化学性质稳定，不与上述化学吸附剂发生化学反应的物理吸附剂，包括但不限于(硅胶、分子筛、硅藻土、凹凸棒土、竹炭、活性炭等)混合制成固态粉末状混合吸附剂；吸附剂包括化学吸附剂和物理吸附剂，吸附剂与水发生可逆化学反应，生成对应的水和物的物质，该物理吸附剂主要是为了吸附化学吸附剂，增加化学吸附剂与空气中水分接触的比表面积，同时以防化学吸附剂多次吸附脱附，形成颗粒晶体。

2、用具有良好防固体微粒穿透功能且透气性良好的薄膜状材料作为外包装，装填上述吸附剂，制作成吸附带，吸附带内吸附剂为松散的粉末状(见图2、 3)。

3、通过外部材料约束，将吸附带以单层摆放，形成吸附板(见图4、5)；

4、将吸附板平行排列，供空气流动，形成吸附箱(见图6)。

5、将吸附箱放置在大气环境中，进行空气中水的吸附，为了提升吸附效率，可借助自然风速，也可以使用风扇等制造人造风速来加速空气流动。

6、待吸附完成后，将吸附箱放入脱附-蒸发塔内，进行后续的脱水、蒸发，吸附箱和脱附-蒸发塔可以是一体化设计(见图7)，也可以是分体式设计(见图8)。

7、在吸附箱已放置于脱附-蒸发塔内，并完成脱附-蒸发塔的密闭后，对吸附剂进行加热，加热方式可以为微波辐射加热，热空气对流加热或热传导加热，能量来源可以为太阳能、电能、工业余热、核能、化石能源(煤、石油、天然气等)燃烧等、及本发明冷凝阶段回收的热量。

8、吸附剂在上述加热过程中通过化学反应释放在大气中吸附的结合水，继续加热，或使用辅助蒸发系统，其所释放水分，将蒸发为水蒸气进入冷凝器中 (见图9)，在冷凝器中，水蒸气将随着管道温度的下降，凝结为液态水，并放出热量。

9、可通过多个冷凝器的串联，让水蒸气凝结过程中所释放的热量，用于脱附 -蒸发塔的加热过程，达到能量的回收利用的效果(见图10)。

10、将完成了脱附、蒸发过程的吸附箱，重新放置于大气环境中，重复以上流程。

由于每种吸附剂价格不同，且有不同的工作温度，在实际运行中，可根据环境温度、热源温度和财务预算选用相对的吸附剂。

在此以二水氯化钙作为化学吸附剂为例，估算下本发明从大气中提取水的效率和经济实用性。

二水氯化钙与空气中水分子发生化学反应，生成六水氯化钙，化学方程式如下：

CaCl2.2H2O+4H2O＝CaCl2.6H2O

以竹炭粉末作为物理吸附剂，也即二水氯化钙的载体，竹炭具有多孔结构，其比表面积为300～600平方米/克，二者混合，大大幅增加二水氯化钙与空气中水分子接触进行发生化学反应的机会，再结合前述吸附带、吸附板和吸附箱的设计，借助空气的流动和水分子的扩散作用，可确保对流过吸附箱的空气中水分子的吸附成功率。

假设大气空气含水量为每立方米5克(标准大气压下，20摄氏度温度下，空气相对湿度30％)，空气经过吸附箱的平均流速为每秒5米(三级风)，吸附箱对水分的吸附率为90％，迎风面横截面积为1平方米的吸附箱，在装有足量吸附剂，且吸附剂吸附量未饱和情况下，其对水分的吸附速率为每秒22.5 克,(即每小时81千克,每24小时1.944吨)。具有较高的吸附效率。

待吸附剂中大部分二水氯化钙完成吸附，转化为六水氯化钙，将吸附箱放置于脱附-蒸发塔中，加热，六水氯化钙将在29.92摄氏度释放结合水，生成二水氯化钙和水，化学方程式如下：

CaCl2.6H2O＝CaCl2.2H2O+4H2O

在这个过程中，需要吸收外部热量，每千克六水氯化钙需吸收191千焦的热量，可释放0.3288千克水，经计算，每生成1千克水，需提供580.9千焦的外部能量(在二水氯化钙吸附水的过程中，会放出热量，但是由于是在开放的大气环境中，所以这部分热量会被流动的空气带走，难以回收)。

由于蒸发过程中所消耗的能量，可在冷凝过程中回收得到利用，其回收过程仅涉及物体的相变和热量的传导，理论上可回收利用率接近100％，所以这部分耗能，在此忽略不计。

经计算，以二水氯化钙作为介质，从大气中获取淡水，每吨水耗能为580900 千焦，约为19.78千克标准煤热值。

假设以市场上较常见的5000大卡煤炭作为燃料，同时假设锅炉燃烧效率90％，则通过本发明，消耗一吨5000大卡商品煤可制取淡水32.5吨。

假设利用火电厂余热作为热源，由于朗肯循环，必然产生无法用来发电的余热，以600MW火力发电机组为例，其发电后余热约为46亿千焦，如果将这些余热用于本发明，每小时可获取淡水7937吨。

采用不同的材料作为吸附剂会有不同的能效表现，同时，可采用太阳能光热转换系统，各种工业余热等作为能量来源来进一步提升经济效益。

在实施例中，如图1所示，整体描述了本发明的原理，首先将吸附剂暴露在外部大气中吸附空气中水分，然后将吸附剂放置在密闭环境中进行水分的脱附，蒸发，将蒸发形成的水蒸气通过冷凝器使之液化为液态水，释放过水分的吸附剂重新暴露于外部大气中，重复上述过程。

如图2、3所示，为吸附带的正视和俯视图，吸附带由具有良好透气性和防固体微粒穿透的包装材料制成，内部为松散的粉末状吸附剂，吸附带中间有隔断，从而形成一串小体积、薄厚度的吸附单元。

如图4、5所示，为吸附板的正视和俯视图，将吸附带单层摆放，通过外部框架约束，使之形成波浪形。

如图6所示，为吸附箱的局部侧视图，吸附箱由吸附板平行叠放组成，吸附板之间留有空气通道。

如图7所示，为吸附箱固定放置于脱附-蒸发塔中的一体化装置结构图，一体化装置实际使用过程中分为吸附阶段和脱附-蒸发阶段，两个阶段交替进行，在吸附阶段，两侧门是打开的，由自然风或人造风形成的空气流动使外部空气进入吸附箱，在完成吸附后，关闭两侧门，进入脱附-蒸发阶段，蒸发形成的水蒸气进入冷凝器，放热后形成液态水，进入水池。

如图8所示，为吸附箱与脱附-蒸发塔分体放置的装置结构图，这种方式一套脱附-蒸发塔可匹配多个吸附箱，通过传送带移动吸附箱，由于吸附过程需要时间较长，而脱附-蒸发所需时间较短，这种方式更适合规模化应用。

如图9所示，为进入脱附-蒸发阶段的装置结构图，在将完成吸附的吸附箱封闭于脱附-蒸发塔后，通过热源加热，首先吸附剂会释放水，继续加热，水分会蒸发为水蒸气，水蒸气通过水蒸气导管，进入冷凝器，因为存在温度差，水蒸气会放热，凝结成液态水，流入水池。

如图10所示，为能量循环利用图示，由于水蒸气在降温、凝结的过程中会放热，所以可以将这部分热量循环利用，将处于较高温度的脱附-蒸发塔里形成的水蒸气，作为处于较低温度的其他脱附-蒸发塔的热源，以提升能效，图中即时温度脱附-蒸发塔A度高于脱附-蒸发塔B，脱附-蒸发塔B高于脱附- 蒸发塔C，以此类推。

以上将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。

上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种从大气空气中提取水的设备，其特征在于：包括辅助蒸发系统，所述辅助蒸发系统包括密闭容器、冷凝器和水蒸气导管，所述密闭容器为脱附-蒸发塔，所述脱附-蒸发塔通过水蒸气导管与冷凝器连接。

2.根据权利要求1所述的一种从大气空气中提取水的设备，其特征在于：所述吸附剂放置在密闭容器中，用于对大气中水分子进行吸附。

3.根据权利要求2所述的一种从大气空气中提取水的设备，其特征在于：所述吸附剂包括化学吸附剂和物理吸附剂，将所述物理吸附剂增加化学吸附剂，形成颗粒晶体。

4.根据权利要求3所述的一种从大气空气中提取水的设备，其特征在于：所述吸附箱放入脱附-蒸发塔内，用于后续的脱水和蒸发。

5.根据权利要求4所述的一种从大气空气中提取水的设备，其特征在于：所述吸附剂释放在结合水中，通过辅助蒸发系统加热，将水蒸气进入所述冷凝器中，所述冷凝器，用于放出、回收热量。

6.根据权利要求5所述的一种从大气空气中提取水的设备，其特征在于：吸附箱和脱附-蒸发塔为一体化设计或分体式设计。

7.根据权利要求6所述的一种从大气空气中提取水的设备，其特征在于：多个所述冷凝器串联，用于脱附-蒸发塔的加热。

8.根据权利要求7所述的一种从大气空气中提取水的设备，其特征在于：该设备包括外包装，所述外包装为薄膜状材料，所述外包装通过装填吸附剂，形成吸附带，所述吸附带内的吸附剂为松散的粉末状。

9.根据权利要求8所述的一种从大气空气中提取水的设备，其特征在于：所述吸附箱由吸附板组成，所述吸附板呈平行间隔排列，供空气流动。

10.一种从大气空气中提取水的方法，包括以下步骤：

1)、利用固态吸附剂对大气中水分子进行吸附，待吸附完成后，将吸附剂放置在所述密闭容器中，通过加热进行水分子的脱附，并通过进一步蒸发、冷凝，获得液态水；

2)、所述吸附剂包括化学吸附剂和物理吸附剂，吸附剂与水发生可逆化学反应，生成对应的水和物的物质，将物理吸附剂增加化学吸附剂与空气中水分接触的比表面积，同时以防化学吸附剂多次吸附脱附，形成颗粒晶体；

3)、待吸附完成后，进行脱附，将吸附箱放入所述脱附-蒸发塔内，进行后续的脱水、蒸发；

4)、在所述吸附箱已放置于脱附-蒸发塔内，并完成脱附-蒸发塔的密闭后，对吸附剂进行加热，加热方式可以为微波辐射加热，热空气对流加热或热传导加热，能量来源为太阳能或电能或工业余热或核能或化石能源(煤、石油、天然气等)燃烧；

5)、所述吸附剂在加热过程中通过化学反应释放在大气中吸附的结合水，继续加热，或使用辅助蒸发系统，其所释放水分，将蒸发为水蒸气进入冷凝器中，在冷凝器中，水蒸气将随着管道温度的下降，凝结为液态水，并放出热量，可在冷凝阶段回收热量；

6)、将完成了脱附、蒸发过程的吸附箱，重新放置于大气环境中；

7)、将吸附箱放置在大气环境中，进行空气中水的吸附。