CN111902195A - 大气水分收集器 - Google Patents
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Abstract
本文提供用于从周围空气中捕获水的大气水分收集器系统，以及使用这种系统的方法。所述系统和方法使用吸附剂以从空气中吸附水。例如，吸附剂可以是金属‑有机骨架。所述系统和方法以水蒸气的形式解吸该水，并且水蒸气被冷凝成液态水并被收集。所述液态水适合用作饮用水。
Description
(多个)相关申请的(多个)交叉引用
本申请要求于2018年2月5日提交的第62/626,675号美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
领域
本公开内容一般地涉及水收集，并且更具体地涉及用于从周围空气中收集水的系统和方法。
背景
全球水需求仍在增长，并且预计到2030年将导致目前淡水使用量的四分之一短缺。在沙漠和干旱地区获得新鲜饮用水是一项严峻的挑战，并且与社会和经济发展紧密相关。在内陆和基础设施有限的地区，水短缺难以解决，使得成熟的水净化技术，即反渗透和多级闪蒸，的实施具有挑战性。幸运的是，在这样的地区，全年的太阳能是丰富的，其可用于独立于电网的分布式饮用水生产。
由于盐分高或因为其以冰的形式被锁定，所以地球上大部分的水无法获得。大部分淡水是从湖泊和河流中收集的，对于世界上大多数干旱地区湖泊和河流未必可得。大气中的水分是一种自然资源，相当于13,000万亿升或占湖泊和河流总水的10％，并且有待收集。目前，人们有兴趣通过雾捕获系统或结露收集大气水分，但是这些方法需要存在高水分分压(相对湿度)或大量能量输入。
基于多孔吸附剂的大气水发生器可以利用丰富的太阳能并从稀薄的空气中收集水。通常，大气水发生器的操作需要将大量空气冷却到露点温度以下，并且结露所消耗的热量随着相对湿度或环境温度降低而急剧增加。此外，对于干燥地区的白天条件(10％RH，35℃)，露点可能是零下，需要大量的能量以从稀薄的空气中冻结和收集水。这使得在世界干旱、沙漠地区部署这样的系统不可行。
大气水分收集器是一种有前途的替代方法，用于收集水并将水输送到干旱、炎热地区的偏远家庭。大气水分收集器基于活性化合物操作，该活性化合物可以捕获湿空气并以最少的能量输入释放捕获的水分。在夜间期间，活性化合物从周围空气中捕获水分。在白天期间，由于暴露于太阳辐射，它释放捕获的水分。释放的水分在无能量输入或低能量输入下冷凝在大气水分收集器的冷凝器中。冷凝水进一步由水收集系统收集。通过选择活性化合物特性，即使在低RH条件下，太阳热驱动的大气水分收集方法也是可行和有效的。
简述
在一些方面，提供包括水捕获材料以从大气湿空气中产生用于饮用、市政和农业目的的水的方法、装置和系统。实施方案包括用于个人使用的移动水收集装置，用于家庭和市政、农业和食品的离网水收集装置以及基于空间/离地的应用诸如在月球和火星上的装置。
在一些实施方案中，水捕获材料包括活性化合物，诸如金属-氧化物骨架(MOF)。在一些变型中，MOF的金属位点通常是过渡金属、碱土金属或镧系元素的离子，并且有机连接体(linker)通常是具有N-或O-供体原子的多齿分子，诸如吡啶基、多胺、羧酸盐等。本领域中已知许多种MOF，其包括铝基MOF(例如US2012/0055880；US8,648,002；US9,102,691；Norbert Stock，金属-有机骨架：铝基骨架(Metal-Organic Frameworks:Aluminum-BasedFrameworks)，在线发布，2014年12月11日，DOI：10.1002/9781119951438.eibc219)，并且基于所公开的标准容易选择合适的MOF。
在一些方面，提供一种大气水分收集器系统和/或装置，其从空气中捕获水分、释放水分和冷凝水分，并收集液态水。在一些实施方案中，所述系统包括水分吸附单元和水分收集箱。水分吸附单元包含水捕获材料，并位于水分收集箱内。在一些变型中，水分收集箱冷凝从水捕获材料释放的水蒸气以产生液态水。在其他变型中，所述系统还包括冷凝器，所述冷凝器用于冷凝从水捕获材料释放的水蒸气以产生液态水；以及水分收集箱有助于在解吸时保持释放的水蒸气。
在一些方面，所述系统包括：具有活性化合物的水分吸附单元，所述活性化合物可操作以使用太阳能捕获和释放大气水分；具有气流通道的水分收集箱，所述气流通道被配置成引导水分吸附单元和冷凝器之间的气流循环；冷凝器，其可操作以在有或没有任何能量输入的情况下由水分产生液态水；以及水收集系统，其可操作以从冷凝器收集液态水。
在另一方面，提供一种水分吸附单元，其包括活性化合物盘，该活性化合物盘被配置成执行1、2、3、4或5个功能：保持活性化合物；增强从太阳通量暴露到活性化合物的热传递；增加用于水分捕获和释放的活性化合物的接触表面；为活性化合物提供用于质量和热传递的空间；和为各种不同活性化合物填料提供限制。
在另一方面，提供一种水分吸附单元，其包括一个或多个支撑壁，所述支撑壁被配置成：为所述活性化合物盘提供结构支撑；和/或防止热绝缘隔室暴露于太阳红外线。
在另一方面，提供一种水分吸附单元，其包括热绝缘隔室，该热绝缘隔室被配置成执行1、2、3或4个功能：增强活性化合物盘和支撑壁的结构稳定性；使活性化合物盘与支撑壁绝缘；防止水分吸附单元内的自然对流空气循环并消除对流热传递；和防止从活性化合物盘到支撑壁、底部壁和冷凝器的传导热传递。
在另一方面，提供一种水分吸附单元，其包括底部支撑板，该底部支撑板被配置成为热绝缘隔室和支撑壁提供刚性基座；和/或与支撑壁和活性化合物盘组合，消除水分传递至热绝缘体。
在又一方面，提供一种大气水分收集器系统，其包括间隔件，该间隔件被配置成执行1、2、3或4个功能：在空间上将水分吸附单元与冷凝器隔开；使水分吸附单元与冷凝器热绝缘；在水分收集箱内对齐并固定水分吸附单元的位置；和调整水分吸附单元和冷凝器之间的间距。
在又一方面，提供一种水分收集箱，其包括一个或多个侧壁，该侧壁被配置成执行1、2、3或4个功能：为所述水分收集箱提供结构支撑；防止水分吸附单元和冷凝器暴露于太阳红外线；与水分吸附单元组合，产生用于预冷和空气循环的气流通道；和支撑侧面绝缘体的安装。
在另一方面，提供一种水分收集箱，其包括一个或多个预冷器气流通道，该预冷器气流通道被配置成执行1、2或3个功能：通过向周围环境排出热而冷却从活性化合物盘流向冷凝器的湿空气；促进活性化合物盘和冷凝器之间的浮力(buoyant)流动；和调节活性化合物盘和冷凝器之间的温度梯度。
在其他方面，提供一种水分收集箱，其包括底部板，该底部板被配置成执行1、2、3、4或5个功能：为侧壁提供刚性基座；提供从周围环境和到周围环境的质量传递；为冷凝器的安装提供支撑基座；提供用于通过间隔件安装水分吸附单元的基座；和提供支撑基座以将水分吸附单元安装到便携式支架框架上。
在其他方面，提供一种水分收集箱，其包括冷凝器，该冷凝器被配置成执行1、2、3或4个功能：冷凝由活性化合物释放的水分；在空间上与水分吸附单元的所有部件隔开；通过水分收集箱的除湿帮助从活性化合物中释放水分；并通过水分收集箱内的扩散维持质量传递。
在一方面，提供一种主题装置、系统或单元或箱，其中所述活性化合物包括金属氧化物骨架(MOF)，其中所述MOF金属选自锆、镍、铁、铜、锰和铝，并且特别是铝基金属-有机骨架，诸如MOF-303。
在一些方面，提供一种大气水分收集器系统，其可以从周围空气中捕获水。在一些实施方案中，所述系统包括：含有水捕获材料的水分吸附单元；和水分收集箱。在一些变型中，水分吸附单元包括：包含绝缘材料的绝缘隔室，以及位于水分吸附单元的顶部、绝缘隔室上方的托盘。托盘含有水捕获材料，其在吸附阶段期间从周围空气中吸附水分，并在解吸阶段期间解吸水蒸气。在一种变型中，与水捕获材料接触的托盘的底部表面被太阳能吸收材料覆盖或由太阳能吸收材料制成。在另一种变型中，水分吸附单元的侧表面被太阳能反射材料覆盖或由太阳能反射材料制成。在某些变型中，水分吸附单元位于水分收集箱内部，并且在水分吸附单元和水分收集箱之间存在空间。在一些变型中，水分收集箱是透明的。在其他变型中，水分收集箱具有盖。当打开时，盖将水捕获材料暴露于冷湿的周围空气中，以在吸附阶段期间吸附水分。当关闭时，盖在解吸阶段期间使用太阳辐射加热水捕获材料以释放水蒸气。在一些变型中，水分收集箱具有一个或多个侧壁，所述一个或多个侧壁被配置成在冷凝阶段期间将至少一部分释放的水蒸气冷凝成液态水。在可以与前述中的任何一个组合的另一实施方案中，该系统可以被埋在地下，并且水分收集箱的一个或多个侧壁与地下的土壤接触，并提供用于与土壤热传递的表面。
在前述方面的一些实施方案中，该系统包括含有水捕获材料的水分吸附单元；水分收集箱；和冷凝器。在这样的实施方案中，水分收集箱被配置成在解吸时保持释放的水蒸气。在一些变型中，冷凝器位于水分收集箱的底部，与水分吸附单元隔开。冷凝器被配置成在冷凝阶段期间将至少一部分释放的水蒸气冷凝成液态水。在前述的一些变型中，系统被放置在斜面上以最大化暴露于直射阳光。在前述的其他变型中，该系统还包括水收集单元，其被配置成收集液态水。
在其他方面，提供一种使用本文所述的任何大气水分收集器系统从周围空气收集水的方法。在一些实施方案中，所述方法包括：在夜间期间打开水分收集箱的盖，从而使水捕获材料从周围空气中吸附水分；以及在接下来的白天期间关闭水分收集箱的盖。这使用太阳辐射加热水捕获材料，从加热的水捕获材料释放水蒸气，并将释放的水蒸气冷凝在水分收集箱的一个或多个侧壁上，或者使用冷凝器，以产生液态水。
在另一方面，所述方法包括：在夜间期间通过吸附用来自冷湿的周围空气的水分使水捕获材料饱和。水捕获材料被包含在位于水分吸附单元的顶部、水分吸附单元中的绝缘隔室上方的托盘中，并且水分吸附单元被放置在带有盖的水分收集箱内部，其中该盖在夜间期间被打开。在一些实施方案中，所述方法还包括：在接下来的白天期间使用太阳辐射加热水捕获材料，并从水捕获材料释放水蒸气，其中水分收集箱的盖在白天期间关闭；以及将释放的水蒸气冷凝在水分收集箱的一个或多个侧壁上，或者使用冷凝器，以产生液态水。在前述方面的一些变型中，所述方法还包括：收集液态水。
在前述方面的一些变型中，大气水分收集器系统是完全无源的系统。
本发明包括本文记载的具体实施方案的所有组合，就好像每个组合已经被费力地记载一样。
应当理解，本文描述的实施例和实施方案仅用于说明目的，并且鉴于其的各种修改或改变将被建议给本领域技术人员，并且将被包括在本申请的精神和意图以及所附权利要求的范围内。
附图说明
可以通过结合附图参考以下描述理解本申请。
图1描绘了活化的MOF-801的PXRD图。
图2描绘了活化的MOF-801的SEM图像。
图3描绘了活化的MOF-801的SEM图像(顶部)；以及MOF-801的碳和锆EDS图像(底部)。
图4描绘了在77K下记录的活化的MOF-801的N2等温线。BET表面积为582m2g-1。
图5描绘了预先按比例放大的MOF-801样品(黑色，本工作)以及MOF-801-P(红色)、MOF-801-SC(蓝色)的水吸附等温线。
图6描绘了在不同温度下记录的预先按比例放大的MOF-801的水吸附等温线。
图7描绘了使用基于在不同温度下测得的吸附等温线的方程S2,3确定的活化的预先按比例放大的MOF-801的特性曲线。
图8描绘了活化的MOF-801在25℃处的等量吸附热(黑色)和水吸附等温线(红色)。
图9描绘了在25℃下记录的活化的按比例放大的MOF-801的实验水吸附等温线以及在15和85℃下计算的水吸附等温线。从活化的按比例放大的MOF-801中取出35mg样品，转移至9mm球形气体单元，并充入N2以避免空气污染。然后将单元安装在仪器上。
图10描绘了石墨样品的PXRD图。
图11描绘了MOF-801/G的活化样品的PXRD图。将地面样品放在零背景样品架上，并安装在衍射仪上。从3-50度收集数据，步长为0.01，并且总数据收集时间为30分钟。26.5°处的峰对应于石墨的(002)反射。
图12描绘了活化的MOF-801/G的SEM图像(顶部)。MOF-801/G的碳和锆EDS图像(底部)。
图13描绘了在77K下记录的活化的MOF-801/G的N2等温线。BET表面积为383m2g-1。
图14描绘了在25℃下MOF-801/G的实验水吸附等温线和在15和85℃下计算的水吸附等温线。
图15描绘了在25℃下按比例放大的MOF-801和MOF-801/G的水吸附等温线的比较。正如预期的，与无孔石墨混合后，水吸收下降约33重量％，然而，等温线的总体形状保持不变。
图16描绘了MOF-303的单晶结构中的不对称单元(各向同性地示出原子)。为了清楚起见，省略了氢原子。颜色代码：C，灰色；N，蓝色；O，红色；铝，青色。
图17描绘了活化的MOF-303的PXRD图。
图18描绘了活化的MOF-303的SEM图像。
图19描绘了活化的MOF-303的SEM图像(顶部)。活化的MOF-303的碳和铝EDS图像(底部)。
图20描绘了在77K下活化的按比例放大的MOF-303的N2等温线。BET表面积为989m2g-1。
图21描绘了在25℃下记录的预先按比例放大的活化的MOF-303的水吸附等温线。
图22描绘了MOF-303的循环实验。示出了在25℃下记录的五个随后的吸附-解吸循环。
图23描绘了在不同温度下活化的按比例放大的MOF-303的水吸附等温线。
图24描绘了示出在TGA中在25℃下按比例放大的活化的MOF-303的相对湿度摆动循环的150个循环的图。用40％RH的N2气流吹扫样品，然后在饱和后通过在85℃下用干燥N2气流吹扫30分钟使样品再生，然后开始下一个循环。重量百分比估计为(活化材料的质量+吸附水的质量)/(活化材料的质量)。
图25描绘了使用基于在不同温度下测得的MOF-303的吸附等温线的方程S2,3确定的特性曲线。
图26描绘了活化的MOF-303在25℃时的等量吸附热(黑色)对水吸附等温线(红色)。
图27描绘了在25℃下活化的按比例放大的MOF-303的实验水吸附等温线以及在15和85℃下的计算的水等温线。从450g活化的按比例放大的微晶粉末MOF-303中取出45mg样品，转移至9mm的球形气体单元，并充入N2以避免空气污染。然后将单元安装在仪器上。
图28描绘了MOF-303/G的活化样品的PXRD图。26.5°处的峰对应于石墨的(002)反射。
图29描绘了活化的MOF-303/G的SEM图像(顶部)。MOF-303/G的碳和铝EDS图像(底部)。
图30描绘了在77K下活化的MOF-303/G的N2等温线。BET表面积为701m2g-1。
图31描绘了在25℃下MOF-303/G的实验水吸附等温线以及在15和85℃下计算的水等温线。
图32描绘了在25℃下按比例放大的MOF-303和MOF-303/G的水吸附等温线的比较。正如预期的，将MOF-303与33重量％的无孔石墨样品混合后，水吸收下降了约33重量％，但是，等温线的总体形状保持不变。
图33描绘了沸石13X的PXRD图。
图34描绘了在77K下记录的沸石13X的N2等温线。BET表面积为602m2g-1。将53mg活化的沸石13X转移至9mm的球形气体单元，并充入N2以避免空气污染。然后将单元安装在仪器上。收集了26个吸附点和11个解吸点。
图35描绘了在25℃下沸石13X的实验水吸附等温线和在15和85℃下计算的水等温线。将53mg活化的沸石13X转移至9mm的球形气体单元，并充入N2以避免空气污染。然后，将单元安装在仪器上以测量25℃时的水吸收容量。
图36描绘了用于太阳通量-温度响应测量的绝缘单元的示意图。
图37描绘了示出对于MOF-801和MOF-801/G在1000Wm-2的通量下样品温度随时间增加的曲线图。示出了一个空单元的测量值用于比较。MOF-801/G在70℃时突然的温度升高变化是由于水的解吸。
图38描绘了示出对于MOF-303和MOF-303/G在1000Wm-2的通量下样品温度随时间增加的曲线图。示出了空单元的测量结果用于比较。MOF-303/G在70℃时突然的温度升高变化是由于水的解吸。
图39描绘了在285至2500nm记录的沸石13X、MOF-801、MOF-801/G、MOF-303和MOF-303/G的漫反射光谱。
图40描绘了沸石13X、MOF-801、MOF-801/G、MOF-303和MOF-303/G在285至2500nm的吸收光谱。光谱是由图39中所示的漫反射数据使用方程S4或S5计算的。
图41描绘了沸石13X、MOF-801、MOF-303、MOF-801/G和MOF-303/G的水吸附动力学的比较。
图42描绘了示出对于厚度为1/4”和1/8”的PMMA圆形片(直径20mm)测量的在1000Wm-2的通量下温度随时间的响应的曲线图。
图43描绘了示出在用白色(红色)和透明涂层(黑色)涂覆的相同厚度(1/4”)的PMMA圆形片(直径20mm)测量的在1000Wm-2的通量下温度随时间的响应的曲线图。对于带有白色涂层的PMMA样品，观察到的温度降低了7℃。
图44描绘了示出对于涂覆有太阳能吸收剂涂层(Pyromark涂料)的相同厚度(1/4”)的PMMA圆形片(直径20mm)测量的在1000Wm-2的通量下温度随时间响应的曲线图。示出了透明的PMMA圆盘(蓝色)与涂覆的(黑色)和底部涂覆的(红色)两个不同方向的涂覆的圆盘的比较。观察到对于底部有pyromark涂层的PMMA圆盘，温度高13℃。在PMMA透明圆盘和在顶部涂覆的情况下，相同的温度变化曲线表示热传递的优选方向。
图45描绘了在285至3000nm与太阳(红色)和白炽灯(橙色)的光谱辐照度相比的PMMA(蓝色)的吸收。PMMA在400nm以下和2300nm以上显示出强吸收。
图46描绘了PMMA(浅蓝色)、涂覆有底漆的PMMA(浅灰色)和涂覆有白色涂料的PMMA(橙色)的吸收光谱的比较。对于两种涂覆的样品，都可以观察到可见光和红外区域吸收的增加，这可能是由于在特定光谱范围内的表面的反射率较高。
图47描绘了水吸附单元的照片(左)和具有尺寸的示意图(右)。
图48描绘了具有尺寸的壳体、罩和水吸附单元的示意图。
图49描绘了壳体内部的热电偶和湿度传感器的位置。
图50描绘了湿度传感器将电压输出读数转换成相应相对湿度的校准曲线。
图51描绘了温度传感器的校准曲线。
图52A描绘了太阳辐照度(红色)和色温为2700K的两灯配置(橙色线)的辐照度的比较。图52B描绘了使用25个数据点(灯位于左底部和右顶部)在一个方向上的两灯配置的壳体的罩上测量的辐照度分布的等值线图。图52C描绘了对于两灯配置和两个不同的方向，灯位于左底部和右顶部，或者位于左顶部和右底部，在壳体的罩上的辐照度分布的等值线图。
图53A描绘了太阳辐照度(红色)和色温为2700K的三灯配置(橙色线)的辐照度的比较。图53B描绘了使用25个数据点(灯位于左底部、右底部和右顶部)在一个方向上的三灯配置的壳体的罩上测量的辐照度分布的等值线图。图53C描绘了对于三灯配置和四个不同的灯群，在壳体的罩上的辐照度分布的等值线图。
图54提供了两灯配置中的人造通量发生器的图像。
图55描绘了在没有材料(即空的吸附剂容器)的水收集期间的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。水收集在低通量下进行7.5小时。没有观察到冷凝。
图56描绘了在使用0.25kg石墨的水收集期间的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。水收集在低通量下进行7.5h。观察到少量雾的形成。
图57描绘了使用0.5kg的沸石13X的水收集期间的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。水收集在低通量下进行7.5h。收集到6g液态水。
图58描绘了使用0.5kg的沸石13X在水收集期间的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。水收集在高通量下进行7.5h。收集到29g液态水。
图59描绘了使用1.65kg的MOF-801/G在水收集期间的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。水收集在低通量下进行7.5h。收集到25g液态水。
图60描绘了使用1.65kg的MOF-801/G在水收集期间的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。水收集在高通量下进行7.5h。收集到63g液态水。
图61描绘了使用0.825kg的MOF-801/G在水收集期间的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。水收集在低通量下进行7.5h。收集到37g液态水。
图62描绘了使用0.825kg的MOF-801/G在水收集期间的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。水收集在高通量下进行7.5h。收集到78g液态水。
图63描绘了使用0.412kg的MOF-801/G在水收集期间的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。水收集在低通量下进行7.5h。收集到26g液态水。
图64描绘了使用0.412kg的MOF-801/G在水收集期间的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。水收集在高通量下进行7.5h。收集到36g液态水。
图65描绘了使用0.600kg的MOF-303/G在水收集期间的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。水收集在低通量下进行7.5h。收集到60g液态水。
图66描绘了使用0.600kg的MOF-303/G在水收集期间的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。水收集在高通量下进行7.5h。收集到105g液态水。
图67描绘了使用0.600kg的MOF-801/G在水收集期间的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。在35％RH和15℃的环境室中进行饱和5天。水收集在低通量下进行7.5h。收集到28g液态水。
图68描绘了使用0.600kg的MOF-303/G在水收集期间的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。在35％RH和15℃的环境室中进行饱和5天。水收集在低通量下进行7.5h。收集到60g液态水。
图69描绘了MOF-801/G的水吸附等温线。蓝点和黄点表示水收集实验#6期间1.65kg MOF-801/G在高通量下的饱和和释放条件(表4)。
图70描绘了在水吸附单元的顶表面上的能量流的示意图。
图71描绘了对于0.85、0.75、0.65和0.55的填充孔隙率的四个值，q明显随着释放和捕获温度的变化。计算出捕获温度为20℃时的q明显。明显能量与潜在能量的比率表明，大部分能量都花在了破坏MOF-水的相互作用上，而不是在释放过程期间提高MOF的温度。
图72描绘了对于不同的发射率值，辐射热损失随MOF-801/G温度的变化。
图73描绘了MOF-801/G和罩的温度变化。观察到由于温差的增加，瑞利数(Rayleigh number)增加。在最初的60分钟内，罩温度高于MOF的温度，无热损失。
图74描绘了示出qH(有和没有热损失)和MOF-810/G的量与每千克MOF-801/G的潜在和明显能量的比较的曲线图。
图75描绘了在65℃的释放水温度、20℃和40℃的冷凝器温度以及3.36和1.18的平均热冷凝努塞尔数下，冷却表面的尺寸随MOF-810/G的量的变化。3100cm2的冷却表面确保在高冷凝器温度(40℃)和低热传递速率(Nu＝1.18)下足够的冷却能量。
图76描绘了在沙漠条件下使用1.65kg的MOF-801/G在水收集期间记录的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。收集到55g液态水。释放效率：94％，收集效率：25％，WHC效率：24％，生产率：33gkg-1。
图77描绘了在沙漠条件下使用0.825kg的MOF-801/G在水收集期间记录的温度(顶部)和相对湿度(底部)曲线。收集到55g液态水。释放效率：92％，收集效率：56％，WHC效率：51％，生产率：67gkg-1。
图78描绘了在沙漠气候中水收集器的壳体周围的外部绝缘体(土壤)的示意图。
图79描绘了加热之前纯D2O的1H-NMR谱。
图80描绘了加热之后纯D2O的1H-NMR谱。
图80描绘了加热之前D2O中MOF-801的1H-NMR谱。观察到的信号：甲酸(8.25ppm)，N,N-二甲基甲酰胺(7.88、2.96、2.81ppm)，N,N-二甲基胺(2.67ppm)。
图82描绘了加热之后D2O中的MOF-801的1H-NMR谱。观察到的信号：甲酸(8.27ppm)，N,N-二甲基甲酰胺(7.91、2.99、2.84ppm)，N,N-二甲基胺(2.70ppm)。
图83描绘了在D2O中MOF-801的1H-NMR谱：加热之前/之后的叠加。
图84描绘了使用0.825kg的MOF-801/G收集的水的1H-NMR谱。观察到的信号：水(3.35ppm)。
图85描绘了加热之前D2O中的MOF-303的1H-NMR谱。观察到的信号：甲醇(3.30ppm)。
图86描绘了加热之后D2O中的MOF-303的1H-NMR谱。观察到的信号：甲醇(3.33ppm)。
图87描绘了MOF-303在D2O中的1H-NMR谱：加热之前/之后的叠加。
图88描绘了使用0.600kg的MOF-303/G收集的水的1H-NMR谱。观察到的信号：水(3.34ppm)。
图89描绘了锆标准溶液的校准曲线。被分析样品的锆信号强度为22639.7a.u。
图90描绘了铝标准溶液的校准曲线。被分析样品的铝信号强度为7739.6a.u。
图91是水分吸附单元的剖视图。
图92是如图91所示的具有水分吸附单元的水分收集箱的剖视图。
图93是具有冷凝器和水分吸附单元的大气水分收集器的罩盖的俯视图。
图94是大气水分收集器的侧视图。
图95A-95C总体上涉及在环境冷却和自然阳光下用于实际水生产的WHC。在图95A中，WHC由捕获和收集循环组成。在图95B中，捕获循环由MOF的吸附等温线定义，并且由此可以建立高性能水收集材料的几个先决条件；理想的是具有最小滞后或没有滞后的IV型或V型等温线、在25％RH以下的陡峭吸收、在35％RH以下的高捕获容量ω捕获以及在不同温度下记录的等温线拐点的显著移动。在图95C中，收集循环由湿度图定义。在释放所捕获的水的期间，空气被加湿并加热(ii→iii)。自然对流将热湿的空气输送到冷凝器，将其冷却到其露点以下(iii→iv)。伴随的冷凝产生液态水和除湿空气。收集循环可以继续，直到湿度比太低而无法达到露点。
图96A和96B总体上涉及MOF-801的等温线以及用于由沙漠空气生产水的基于MOF的水收集器的设计。在图96A中，MOF-801和MOF-801/G在15℃(蓝色)、25℃(灰色)和85℃(红色)下的水吸附等温线(吸附填充符号，解吸空心符号)。观察到与先前报道的MOF-801等温线相比，拐点向较高的相对压力移动、较低的最大容量和滞后。这些发现与材料的高度单晶性有关(19)。将MOF-801与石墨共混导致相应于添加重量的重量容量降低，同时等温线的总体形状被完全保留。在图96B中，水收集器的示意图包括水吸附单元和壳体。在夜间期间，打开壳体的罩，使MOF被来自沙漠空气的水分饱和。在白天期间，将壳体密封以形成一个封闭的系统。湿热空气从MOF流至冷凝器，并通过向周围环境排出热而冷却下来。当达到露点时，发生冷凝，并且液态水聚集在壳体的底部。
图97A-97C总体上涉及水的生产以及温度、相对湿度和太阳通量曲线。图97A是冷凝器的照片，其显示(i)液滴的形成(ii)流动以形成水坑(插图：每个昼夜沙漠循环产生的水)。在图97B中，2017年10月22日在美国亚利桑那州斯科茨代尔在沙漠中测试期间获得的湿度和温度曲线。温度和湿度传感器放置在水收集器内的不同位置；在冷凝器的底部(橙色)和顶部(蓝色)，以及在表面(红色)和在MOF粉末(洋红色)中。使用安装在反射器上的日射强度计记录太阳通量。在很靠近水收集器的位置监测环境温度和相对湿度，并从这些数据计算环境结露温度(浅蓝色)。在图97C中，在沙漠中测试期间在自然太阳通量下和使用低(558Wm-2)和高(792Wm-2)通量在实验室条件下获得的湿度和温度曲线的比较。原点代表MOF-801/G的整个表面分别在实验室实验和沙漠测试中暴露于人造或天然太阳辐射。
图98A-98C总体上涉及具有提高的生产率的下一代MOF。图98A描绘了由棒状Al(OH)(-COO)2SBU构建的MOF-303的晶体结构，该棒状Al(OH)(-COO)2SBU通过HPDC连接体连接成具有一维孔体系的延伸骨架结构(xhh拓扑)。灰色，C；绿色，N；红色，O；蓝色多面体，铝。图98B描绘了MOF-303/G在15℃(蓝色)、25℃(灰色)和85℃(红色)下的水吸附等温线。图98C描绘了限定水收集器的效率和生产率的参数的比较。灰色和橙色条分别表示在低通量和高通量下的测量值。
详述
以下描述阐述了示例性方法、参数等。然而，应当认识到，这种描述并非旨在限制本公开内容的范围，而是作为示例性实施方案的描述而提供。
在一方面，本发明提供一种大气水收集器，其包括：活性化合物或其他水捕获材料、水分吸附单元(例如图91)、收集箱(例如图92)、冷却单元、水收集器、太阳能收集器、便携式支架框架。本文还描述了水收集系统的其他变型。
水捕获材料
水捕获材料包含活性化合物。在一些实施方案中，这种材料从周围环境中的空气中捕获水分，然后在外部刺激下将捕获的水分释放到周围环境中，所述外部刺激包括但不限于加热、水分蒸汽压变化或UV辐射。活性化合物可以是离子或共价多孔固体，包括但不限于金属-有机和有机多孔骨架材料、沸石、有机离子固体、无机离子固体、有机分子固体或无机分子固体。它应优选具有低的热容量、高的热导率和水热稳定性。它可以以纯的单相形式，作为不同活性化学材料的组合物，和/或与调节其性质的性能增强添加剂组合使用。性能增强添加剂可包括具有高热导率和摩尔吸收率的材料。活性化合物可以以粉末、挤出物、模制体、压丸、纯膜或复合膜或烧结体的形式使用。
在一些实施方案中，水捕获材料包括活性化合物，诸如金属氧化物骨架(MOF)。MOF是多孔材料，其具有与有机配体连接的重复的二级结构单元(SBU)。在一些变型中，SBU可以包括一种或多种金属或含金属的配合物。在其他变型中，有机配体具有酸和/或胺官能团(多种官能团)。在某些变型中，有机配体具有羧酸基团。
能够吸收和解吸水的任何合适的MOF可以在本文提供的系统中使用。在一个变型中，可以使用MOF-303，其具有Al(OH)(HPDC)的结构，其中HPDC代表1H-吡唑-3,5-二羧酸酯。其他合适的MOF可以包括例如MOF-801、MOF-841和MIL-160。参见，例如，Furukawa等人，J.Am.Chem.Soc.2014，136，4369-4381。也可以使用MOF的组合。
在一些变型中，MOF具有在约0.5nm至约1nm或在约0.7nm至约0.9nm的孔尺寸。在某些变型中，MOF具有亲水的孔结构。在某些变型中，MOF具有包含酸和/或胺官能团的亲水的孔结构。在某些变型中，MOF具有允许可逆水吸附的一维通道。
在一些变型中，水捕获材料包括至少一种MOF和石墨。也可以使用本文所述的水捕获材料的任意组合。
大气水分收集器系统
本文提供了大气水分收集器系统，其包括：含有水捕获材料的水分吸附单元；和水分收集箱。
参考图47和91，在一些变型中，水分吸附单元是一个装有绝缘体的盒子。水分吸附单元将水捕获材料保持在单元的顶部，并提供单元的热部分(暴露于阳光时水捕获材料温度升高)与发生冷凝的单元的冷部分之间的温差。在一些变型中，除顶部用黑色涂料覆盖以增加太阳能吸收之外，水分吸附单元可以用白色覆盖以反射直接的阳光。
参考图92，将水分吸附单元放置在水分收集箱中。在一些变型中，水分收集箱可以是有机玻璃盒子，其在解吸时保持释放的水分。该箱在夜间期间保持顶部开放，因此水捕获材料暴露于冷湿的空气中以吸附水。白天用透明盖封闭该箱，以在加热水捕获材料时维持释放的水分。释放的热湿的空气向下移动到水分收集箱并在底部冷凝。铝罩提供用以覆盖盒子的阴影，并使水捕获材料的表面暴露于阳光。
在一些变型中，可将水分收集箱内的水分吸附单元放置在装有土壤或具有高热容量的任何其他材料的盒子中，以将水分收集箱的壁保持在恒定温度。该土壤盒子还用作散热器，以排出冷凝时释放的所有热量。参考图94，系统可以以一定角度放置以提供最大的暴露于日光。另外，在一些变型中，可以安装一个或多个太阳能电池板以为风扇提供能量，该风扇可以冷却水分收集箱的底部以加速冷凝过程。在一些实施方案中，系统可以进一步包括冷凝器。
在一些变型中，该系统可以进一步包括一个或多个太阳能电池板。在其他变型中，该系统是无源系统。在一种变型中，该系统不需要除日光以外的任何另外的能源来操作。因此，在一些变型中，本文所述的系统可以离网并且在没有任何太阳能电池板的情况下生产水。与需要一些用于水的捕获、释放和冷凝的能量源的有源系统相比，本文描述的无源系统不需要用于水捕获和冷凝的任何能量，而仅依靠直接的阳光用于水释放。
在此进一步描述系统的不同单元。
参考图96B，描绘了水收集器系统的示例性示意图。在夜间期间，打开壳体的罩，使水捕获材料被周围空气(例如沙漠空气)中的水分饱和。在白天期间，将水分收集箱密封以形成一个封闭的系统。热湿的空气从水捕获材料流到冷凝器，并通过散热至周围环境而冷却。当达到露点时，发生冷凝，液态水聚集在水分收集箱的底部。这种温度梯度是通过将水分吸附单元设计成用作热绝缘体产生的，该热绝缘体可以在加热水捕获材料的同时保持低的冷凝器温度。可以通过在所有暴露的表面上施加IR反射涂层来最小化水分吸附单元本身的太阳热增量(thermal incalescence)。水分收集箱具有罩(或盖)，并包围水分吸附单元。如图96B所示，水分收集箱的侧壁用作冷凝器并提供用于与周围环境进行热传递的表面。在该系统的其他变型中，该系统可以进一步包括冷凝器，例如，设置于水分收集箱的底部的冷凝器。可以打开或关闭水分收集箱用于在夜间期间饱和和在白天期间释放冷凝。最后，将反射器连接至罩，以确保仅水捕获材料的表面暴露于太阳辐射。为了通过来自周围环境的热传递最小化或避免冷凝器的变暖，可以使用具有高热容量和低热导率的外部绝缘体(诸如土壤)。
下面进一步详细描述本文所述的水分吸附单元、水分收集箱和大气水分收集器系统的其他特征。
图91描绘了水分吸附单元的剖视图。在该实施方案中，水分吸附单元包括活性化合物盘1、支撑壁2和热绝缘隔室3。在水分吸附单元的立方体几何形状的特定情况下，支撑壁是安装在底部支撑壁4上的四个侧壁，形成一侧开放的立方体箱。支撑壁将在水分捕获和释放期间将活性化合物盘保持在期望的位置，同时其还形成一个密封良好的箱，以消除水分传递至热绝缘体。活性化合物盘是一个装有活性化合物的托盘，在此处发生水分捕获和释放。将活性化合物盘拧在支撑壁的上侧，或者根据支撑壁的厚度将其永久性地粘至顶部边缘。
活性化合物温度的升高是刺激期间(白天)水分释放的一个因素；因此，任何提高活性化合物温度的改变都会增强水分的释放，并从而增加水的输送。在这点上，与活性化合物材料接触的活性化合物盘的内部底部表面涂覆有高太阳能吸收黑色涂层6以形成黑体吸收剂，从而在水分释放期间提高活性化合物盘的温度。为了进一步提高活性化合物的温度，活性化合物盘的侧壁覆盖有反射材料5，其将大部分太阳辐射反射到活性化合物上。
应该注意的是，来自活性化合物盘的热损失增加冷凝器温度，这又可使得冷凝效率更低。为了使从活性化合物盘的底部表面的热损失最小化，热绝缘隔室中填充低热导率的材料，低热导率的材料包括但不限于玻璃纤维和/或挤出的聚苯乙烯泡沫。热绝缘体具有高的热流阻力，在加热期间有效地将传递到冷凝器的传导热量最小化。优选地，热绝缘体被密实地填充，以避免在水分吸附单元内的任何浮力空气循环，并且使热绝缘隔室中的对流热传递最小化。支撑壁由具有低热导率的非金属材料制成，这样的非金属材料包括但不限于丙烯酸，以避免不利的热传导到冷凝器。支撑壁的外表面涂覆有在太阳辐射光谱范围内的低摩尔吸收率的材料，这使得水分吸附单元的侧壁对红外辐射的吸收最小化，并有助于将冷凝器温度保持在露点以下。
图92描绘了水分收集箱的剖视图。水分收集箱是由水分收集箱壁8组成的隔室，水分收集箱壁8将水分吸附单元与周围环境隔离。水分收集箱的侧壁阻止水分传递至/传递自周围环境，并参与在冷凝器和预冷器气流通道中发生的热传递。水分收集箱的上侧提供了用于安装罩盖和太阳能收集器20的刚性基座。水分收集箱的底部板连接至支撑框架和倾斜机构。
在图93中，优选地，罩盖7通过三个闩锁19和两个枢转铰链18连接到水分收集箱的顶部边缘，以允许盖围绕接头枢转。罩盖由对太阳红外辐射具有高透射率和低反射率的透明材料制成，这样的材料包括但不限于玻璃、丙烯酸和气凝胶。罩盖的下侧配备有防潮和不透水的垫片20，以消除罩盖和水分收集箱的上侧之间的任何潜在间隙，并防止任何空气泄漏。
预冷器气流通道9是水分吸附单元和水分吸附箱之间的气流通道，所述气流通道冷却进入冷凝器之前的空气。空气与预冷器气流通道内的水分收集箱的侧壁之间的热传递主要是由于对流，而排出的热则通过水分收集箱的侧壁传导至周围环境。基于水分收集箱的尺寸，优化了预冷器气流通道的水力直径和长度，以增强对流热传递。增强的冷却可以通过增加用于热传递15的有效表面积实现，热传递15采用延伸的表面部件，其包括但不限于冷却盘管或散热器。应该注意的是，在炎热、干旱的地区，从侧壁到周围环境的散热不太可行。在这种情况下，水分收集箱的侧壁应该使用低热导率但高热容量的侧面绝缘体16热隔离，侧面绝缘体16包括但不限于玻璃纤维、挤出的聚苯乙烯泡沫、气凝胶、土壤、软木、岩石、矿渣和混凝土。
在实施方案中，冷凝器11位于水分收集箱的底部，该冷凝器11通过间隔件10与水分吸附单元隔开。湿空气通过高度可调的狭窄通道流过冷凝器。增强的冷却可以通过由具有高导热率的材料制造冷凝器实现，所述材料包括但不限于铜、银、不锈钢或铝，所述冷凝器可与外部散热器12耦合或可不与外部散热器12耦合。尽管在大多数气候区，插入延伸表面可以有效地散热并将冷凝器冷却到露点以下，但是太阳能风扇14可以与散热器耦合，以增强向周围环境的热传递，并促进干旱、炎热区域的冷凝。太阳能电池板17为太阳能风扇提供足够的能量。为了减少太阳能风扇的能量消耗并提高大气水分收集器的水输送性能，可以通过数字反馈控制单元13控制太阳能风扇。反馈控制单元从安装在活性化合物盘的顶部和冷凝器的表面上的热电偶和湿度传感器读取模拟数据。当活性化合物的温度达到期望的温度时，反馈控制单元打开太阳能风扇，以从延伸的表面散热，并将冷凝器冷却至露点以下。在解吸过程中，反馈控制单元通过向太阳能风扇发送开/关输出，持续保持冷凝器温度低于期望的设定值。在世界上干旱、炎热的地区，太阳能风扇和延伸的冷却表面不能促进从冷凝器的充分散热，可以将至少一个热电冷却器安装在冷凝器和太阳能风扇之间。在该实施方案中，热电冷却器的冷却侧与冷凝器的外表面直接接触，而热电冷却器的加热侧连接太阳能风扇。根据冷凝所需的冷却负荷，选择适当的太阳能电池板以为太阳能风扇、反馈控制单元和热电冷却器提供足够的电力。大气水分收集器由各种能源提供电力，所述各种能源包括但不限于太阳、电网、化石燃料和风。
冷凝器处的冷凝水可以由水收集系统收集。该水收集系统由聚水器27、释放阀26、连接器25和储水槽23构成。聚水器是一个中空隔室，其嵌在水分收集箱的最下部，水滴在其中聚结。该聚水器具有出口，该出口优选地通过塑料管和塑料阀连接到储水槽。储水槽是热隔离槽，其具有靠近储水槽的底部设置的水龙头24。部件23-27优选地由非腐蚀性和耐霉菌性的材料制成，这样的材料包括但不限于聚四氟乙烯、玻璃纤维或柔性泡沫绝缘体。释放阀26是安装在连接器中的塑料开/关阀。它在两个位置操作：(i)在水收集期间打开，(ii)在任何其他时间关闭。储水槽可以通过使用UV辐射与包括但不限于氧化钛、银或铜的固体添加剂结合进行改造以防止可能的细菌污染。
太阳能收集器20位于罩盖的上侧，这有利于(i)在收集期间通过太阳窗将太阳辐射收集和偏转到活性化合物盘上，以及(ii)遮蔽水分收集箱的侧壁、预冷器气流通道和冷凝器。太阳收集器可具有特定几何形状的表面，包括但不限于平坦或抛物线形。具有恒定焦距的光学透镜可以安装在太阳窗处，以另外增强入射太阳通量的强度。暴露于阳光下的太阳能收集器的上侧具有红外反射涂层；而背面涂覆有太阳辐射光谱内的低摩尔吸收率的材料。
大气水分收集器的所有部件均安装在便携式支架框架20-21-22-28上。水分收集箱被安装到框架支撑杆21上，轮子22连接到框架的底部以允许设备被运输。为了补偿由于一年中太阳高度变化引起的太阳通量的减少，带有角度指示器28的倾斜机构20。这使得水分收集箱倾斜到期望的角度，从而最大化入射太阳通量。倾斜机构可以手动操作，或通过太阳跟踪系统操作，该太阳跟踪系统监测太阳在天空中的位置，并重新定位该设备，以最大化入射太阳通量。太阳跟踪系统优选地由光伏太阳能电池板和由同一光伏太阳能电池板充电的备用电池供电。
应该注意的是，与水分和液态水直接接触的大气水分收集器的所有或部分部件可以用或可以不用疏水的涂层处理。
在实施方案中，大气水分收集器的操作原理可以包括：
水分捕获(吸附)：水分捕获是活性化合物从周围环境中捕获水分的过程。在实施方案中，水分捕获发生在夜间期间，此时环境温度相对较低并且湿度水平相对较高。在实施方案中，通过在夜间期间打开罩盖并允许来自周围环境的湿空气在水分收集箱内和活性化合物盘上方自然循环进行水分捕获。水分捕获过程一直持续到第二天早上，此时周围环境的湿度水平降低且环境温度升高。在实施方案中，优化活性化合物盘的几何形状以最大化活性化合物的暴露表面，并确保活性化合物在夜间期间(即10-12小时)变得饱和。根据目标气候区，大气水分收集器使用具有最佳吸附参数的不同活性化合物(或它们的混合物)，吸附参数包括但不限于吸收容量、水分捕获和释放动力学、水热稳定性。
水分释放(解吸)：水分释放是通过加热活性化合物(温度波动)或通过降低活性化合物附近的水分分压(压力波动)，将活性化合物中捕获的水分解吸回周围环境的过程。在实施方案中，通过在白天期间关闭罩盖并将活性化合物盘暴露于直接的太阳通量辐射进行水分释放。太阳辐射加热活性化合物，并导致水分释放(温度波动)。在实施方案中，通过在活性化合物盘和罩盖之间具有小间隙实现增强的水分释放。白天期间，小间隙内的空气温度升高，并因此活性化合物上方的水分分压降低，这有助于水分释放(压力波动)。因此，具体的实施方案可以在水分释放期间同时实现压力和温度的波动。
冷凝：冷凝是指从活性化合物中释放的水分在恒定压力下通过向周围环境排出热而将其相从蒸气变为液体的过程。在实施方案中，由于水分收集箱内的浮力辅助的气流循环，释放的水分流向预冷器气流通道。湿空气在预冷器气流通道处通过向水分收集箱的侧壁排出热而被冷却。预冷的湿空气被进一步冷却至露点或露点以下，并在冷凝器处液化。具体实施方案被设计成在不使用任何外部能源的情况下冷凝水分。使用另外的冷却增强冷凝是可行的，该另外的冷却可以由各种能源提供电力，各种能源包括但不限于太阳、电网、化石燃料和风。
水收集：水收集是指在冷凝过程中收集冷凝水并将其储存以备后用的过程。在实施方案中，由于重力辅助的收集系统，收集的水流向储水槽。通过打开连接到储水槽的水龙头，水被进一步收集用于任何用途。
列举的实施方案
以下列举的实施方案代表了本发明的一些方面。
1.一种大气水分收集器系统，其从空气中捕获水分、释放水分和冷凝水分，并收集液态水，所述系统包括：
具有活性化合物的水分吸附单元，其可操作以使用太阳能捕获和释放大气水分；
具有气流通道的水分收集箱，所述气流通道被配置成引导水分吸附单元和冷凝器之间的气流循环；
冷凝器，其可操作以在有或没有任何能量输入的情况下从水分产生液态水；和
水收集系统，其可操作以从冷凝器中收集液态水。
2.一种水分吸附单元，其包括活性化合物盘，所述活性化合物盘被配置成执行1、2、3、4或5个功能：
保持活性化合物；
增强从太阳通量暴露到活性化合物的热传递；
增加用于水分捕获和释放的活性化合物的接触表面；
为活性化合物提供用于质量和热传递的空间；和
为各种不同活性化合物填料提供限制。
3.一种水分吸附单元，其包括一个或多个支撑壁，所述支撑壁被配置为：
为所述活性化合物盘提供结构支撑；和/或
防止热绝缘隔室暴露于太阳红外线。
4.一种水分吸附单元，其包括热绝缘隔室，该热绝缘隔室被配置成执行1、2、3或4个功能：
增强活性化合物盘和支撑壁的结构稳定性；
使活性化合物盘与支撑壁绝缘；
防止水分吸附单元内自然对流空气循环并消除对流热传递；并
防止从活性化合物盘到支撑壁、底部壁和冷凝器的传导热传递。
5.一种水分吸附单元，其包括底部支撑板，该底部支撑板被配置成为所述热绝缘隔室和支撑壁提供刚性基座；和/或与支撑壁和活性化合物盘组合，消除水分传递至热绝缘体。
6.一种大气水分收集器系统，其包括间隔件，该间隔件被配置成执行1、2、3或4个功能：
在空间上将水分吸附单元与冷凝器隔开；
使水分吸附单元与冷凝器热绝缘；
在水分收集箱内对齐并固定水分吸附单元的位置；和
调整水分吸附单元和冷凝器之间的间距。
7.一种水分收集箱，其包括一个或多个侧壁，所述侧壁被配置成执行1、2、3或4个功能：
为所述水分收集箱提供结构支撑；
防止水分吸附单元和冷凝器暴露于太阳红外线；
与水分吸附单元组合，产生用于预冷和空气循环的气流通道；和
支撑侧面绝缘体的安装。
8.一种水分收集箱，其包括一个或多个预冷器气流通道，所述预冷器气流通道被配置成执行1、2或3个功能：
通过向周围环境排出热而冷却从活性化合物盘流向冷凝器的湿空气；促进活性化合物盘和冷凝器之间的浮力流动；和
调节活性化合物盘和冷凝器之间的温度梯度。
9.一种水分收集箱，其包括底部板，所述底部板被配置成执行1、2、3、4或5个功能：
为侧壁提供刚性基座；
提供从周围环境和到周围环境的质量传递；
为冷凝器的安装提供支撑基座；
提供用于通过间隔件安装水分吸附单元的基座；和
提供支撑基座以将水分吸附单元安装到便携式支架框架上。
10.一种水分收集箱，其包括冷凝器，所述冷凝器被配置成执行1、2、3或4个功能：
冷凝由活性化合物释放的水分；
在空间上与水分吸附单元的所有部件隔开；
通过水分收集箱的除湿帮助从活性化合物中释放水分；和
通过在水分收集箱内的扩散维持质量传递。
11.一种主题系统或单元或箱，其中所述活性化合物包括金属-氧化物骨架(MOF)，其中所述MOF金属选自锆、镍、铁、铜、锰和铝，并且特别是铝基金属-有机骨架，诸如MOF-303。
12.一种用于从周围空气中捕获水的大气水分收集器系统，其包括：
水分吸附单元，其包括：
包含绝缘材料的绝缘隔室，以及
位于水分吸附单元的顶部，在绝缘隔室上方的托盘，
其中，所述托盘含有水捕获材料，
其中，所述水捕获材料在吸附阶段期间从周围空气中吸附水分，并在解吸阶段期间解吸水蒸气，以及
其中，与水捕获材料接触的托盘的底部表面被太阳能吸收材料覆盖或由太阳能吸收材料制成，
以及
其中，水分吸附单元的侧表面被太阳能反射材料覆盖或由太阳能反射材料制成；以及
具有盖的水分收集箱，
其中，所述水分吸附单元位于水分收集箱内部，并且其中在水分吸附单元和水分收集箱之间存在空间，
其中，所述水分收集箱是透明的，
其中，当打开时，所述盖将水捕获材料暴露于冷湿的周围空气中，以在吸附阶段期间吸附水分，和当关闭时，所述盖在解吸阶段期间使用太阳辐射加热水捕获材料以释放水蒸气，以及
其中，所述水分收集箱具有一个或多个侧壁，所述侧壁被配置成在冷凝阶段期间将至少一部分释放的水蒸气冷凝成液态水。
13.实施方案12所述的系统，其中，所述系统被埋在地下，并且
其中，水分收集箱的一个或多个侧壁与地下的土壤接触，并提供用于与土壤热传递的表面。
14.一种用于从周围空气中捕获水的大气水分收集器系统，其包括：
水分吸附单元，其包括：
包含绝缘材料的绝缘隔室，以及
位于水分吸附单元的顶部，在绝缘隔室上方的托盘，
其中，所述托盘含有水捕获材料，其中所述水捕获材料在吸附阶段期间从周围空气中吸附水分，并在解吸阶段期间解吸水蒸气，
其中，与水捕获材料接触的托盘的底部表面被太阳能吸收材料覆盖或由太阳能吸收材料制成，
以及
其中，水分吸附单元的侧表面被太阳能反射材料覆盖或由太阳能反射材料制成；
具有盖的水分收集箱，
其中，所述水分吸附单元位于水分收集箱内部，并且其中在水分吸附单元和水分收集箱之间存在空间，
其中，所述水分收集箱是透明的，
其中，当打开时，所述盖将水捕获材料暴露于冷湿的周围空气中，以在吸附阶段期间吸附水分，和当关闭时，所述盖在解吸阶段期间使用太阳辐射加热水捕获材料以释放水蒸气，以及
其中，水分收集箱被配置成在解吸时保持释放的水蒸气；和位于水分收集箱的底部，与水分吸附单元隔开的冷凝器，
其中，所述冷凝器被配置成在冷凝阶段期间将至少一部分释放的水蒸气冷凝成液态水。
15.实施方案14所述的系统，其中，所述系统被放置在倾斜面上以最大化暴露于直射阳光。
16.实施方案12至15中任一项所述的系统，其还包括被配置成收集液态水的水收集单元。
17.实施方案12至16中任一项所述的系统，其还包括连接到所述水分收集箱的盖的反射器，所述反射器被配置成仅将所述水分吸附单元的托盘中的水捕获材料暴露于太阳辐射。
18.实施方案12至17中任一项所述的系统，其中，所述绝缘隔室被所述绝缘材料密实地填充。
19.实施方案12至18中任一项所述的系统，其中，所述绝缘材料具有低热导率。
20.实施方案12至18中任一项所述的系统，其中，所述绝缘材料包括玻璃纤维或聚苯乙烯泡沫或其组合。
21.实施方案12至20中任一项所述的系统，其中，所述太阳能吸收材料是黑色涂层，并且所述太阳能反射材料是白色涂层。
22.实施方案12至21中任一项所述的系统，其中，所述水分收集箱具有一个或多个具有高热容量的侧壁。
23.实施方案12至21中任一项所述的系统，其中，所述水分收集箱具有一个或多个具有低热导率的侧壁。
24.实施方案12至21中任一项所述的系统，其中，所述水分收集箱具有由玻璃纤维、聚苯乙烯泡沫、气凝胶、土壤、软木、岩石、矿渣或混凝土或其任意组合制成的一个或多个侧壁。
25.实施方案12至24中任一项所述的系统，其中，所述水捕获材料包含至少一种金属-有机骨架。
26.实施方案12至25中任一项所述的系统，其中，所述水捕获材料包含至少一种金属-有机骨架，其中，每种金属-有机骨架独立地是包含连接至有机配体的第二结构单元的多孔材料，其中，所述第二结构单元包含一种或多种金属或含金属的配合物，并且所述有机配体包含酸官能团、胺官能团或其任意组合。
27.实施方案26的系统，其中，所述有机配体包含羧酸基团。
28.实施方案12至27中任一项所述的系统，其中，每种金属-有机骨架独立地具有在约0.5nm至约1nm的孔尺寸。
29.实施方案12至28中任一项的系统，其中，每种金属-有机骨架独立地具有亲水的孔结构。
30.实施方案12至20中任一项所述的系统，其中，每种金属-有机骨架独立地具有包含酸官能团、胺官能团或其任意组合的亲水的孔结构。
31.实施方案12至30中任一项所述的系统，其中，每种金属-有机骨架独立地具有允许可逆水吸附的一维通道。
32.实施方案12至31中任一所述的系统，其还包括至少一个被配置成向所述系统提供能量的太阳能电池板。
33.实施方案12至32中任一项所述的系统，其还包括至少一个被配置成冷却所述水分收集箱的底部并加速冷凝的风扇。
34.实施方案12至31中任一项所述的系统，其中，所述大气水分收集器系统是完全无源系统。
35.一种使用实施方案12至34中任一项的大气水分收集器系统从周围空气中收集水的方法，所述方法包括：
在夜间期间打开水分收集箱的盖，从而使水捕获材料从周围空气中吸附水分；和
在接下来的白天期间关闭水分收集箱的盖，从而使用太阳辐射加热水捕获材料，从加热的水捕获材料释放水蒸气，并将释放的水蒸气冷凝在水分收集箱的一个或多个侧壁上，或者使用冷凝器，以产生液态水。
36.一种使用大气水分收集器系统从周围空气中收集水的方法，所述方法包括：
在夜间期间通过吸附用来自冷湿的周围空气的水分使水捕获材料饱和，
其中，所述水捕获材料被包含在位于水分吸附单元的顶部，在水分吸附单元中的绝缘隔室上方的托盘中，和
其中，所述水分吸附单元被放置在带有盖的水分收集箱内部，其中，所述盖在夜间期间被打开；
在接下来的白天期间使用太阳辐射加热水捕获材料，并从水捕获材料释放水蒸气，其中，水分收集箱的盖在白天期间关闭；以及
将释放的水蒸气冷凝在水分收集箱的一个或多个侧壁上，或者使用冷凝器，以产生液态水。
37.实施方案35或36所述的方法，其还包括收集液态水。
38.实施方案35至37中任一项所述的方法，其中，所述水捕获材料包含至少一种金属-有机骨架。
39.实施方案35至38中任一项所述的方法，其中，所述大气水分收集器系统位于地面中，并且其中所释放的水蒸气在水分收集箱的一个或多个侧壁上冷凝以产生液态水将热释放到地面。
40.实施方案35至39中任一项所述的方法，其中，所述释放的水蒸气使用冷凝器冷凝。
41.实施方案40所述的方法，其还包括使用至少一个风扇冷却所述释放的水蒸气以加速冷凝。
42.实施方案35至39中任一项所述的方法，其中，所述大气水分收集器系统是完全无源系统。
实施例
以下实施例仅是说明性的，并不意味着以任何方式限制本公开内容的任何方面。
实施例1
由沙漠空气的实际水生产
尚未开发由沙漠空气节能生产水的技术。报道了一种在低相对湿度下收集水的概念验证装置；然而，它使用外部冷却且没有经过沙漠测试。在这里，我们报道一个实验室到沙漠的实验，其中一个原型使用高达1.2kg的金属-有机骨架-801在实验室进行了测试，后来在美国亚利桑那州的沙漠进行了测试。它每昼夜循环生产100克水/千克MOF-801，仅使用环境冷却和自然阳光作为能源。我们还报道一种铝基MOF-303，它输送多于两倍的水量。沙漠实验揭示了与用于由沙漠空气高效生产水的能量、材料和空气需求有关的关键参数。
在任何给定时间，大气中存在大约十三个千的七乘方(1021)升的水(1)。这是一种可循环的自然资源，具有为世界干旱地区供水的潜力。从湿空气中收集水的方法是已知的(2-6)，但是在沙漠气候中在低湿度下进行这种方法尚未开发(7)。建立针对低湿度气候的实际水收集循环(WHC，图91)的困难有两方面：找到一种能够轻松进行水捕获和释放的材料(捕获循环)，并提供足够的冷却能量，使得冷凝器的温度低于释放的水蒸气的温度以允许液态水的形成(收集循环)。尽管已经表明这两个循环使用强能量输入工作(8)，但仍不清楚它们是否能在环境冷却下使用仅来自自然阳光的能量产生水。
已经报道了金属-有机骨架(MOF)中的水吸收(7，9-14)，并且最近基于这些材料的概念验证装置显示出令人鼓舞的结果(15)。然而，该装置(1)使用了另外的冷却源；(2)产生了水滴，但没有收集到足够量的水滴；(3)需要铜网来提供结构刚度和热传递，并且(4)没有在沙漠中测试。为了将这种进步付诸实践，我们在这里通过在实验室和美国亚利桑那州的沙漠中测试过的新设计解决所有这些问题。这项实验室到沙漠的研究发现了与水释放、冷凝和材料性质之间相互作用有关的关键参数，且因此导致在没有另外的能量输入的情况下在环境冷却和自然阳光下产生水。我们表明，可以将0.550kg的MOF-801实施于一种装置，以在实验室条件下每昼夜循环产生高达78g的水，和在亚利桑那州在环境冷却和自然阳光下，在5至40％的相对湿度(RH)下产生55g的水。此外，0.450kg的我们新设计的MOF-303产生高达105g的水，从而给在低湿度下的水生产向实际应用更近了一步。
我们在设计水生产系统时考虑了WHC的能源、材料和空气要求。图91A示出了在夜间暴露于沙漠空气中时，捕获循环以不饱和MOF的饱和开始。随后，在白天期间暴露于阳光下时，从饱和的MOF中释放出捕获的水。当释放的水蒸气湿润MOF附近的空气时，收集循环发生在白天期间。随后，热湿空气在我们的情况下通过环境冷却被冷却至其露点，从而在冷凝器处产生液化水。收集循环(释放-冷凝)一直持续到白天结束，这时液态水被收集且下一个WHC开始。
MOF的饱和由水填充孔的程度决定。该量是在给定的RH下的水捕获容量(ω捕获：每质量MOF所捕获的水)，并且可以根据水吸附等温线估算。在具有大孔体积和亲水的孔环境的水解稳定的MOF中，可以在低RH下获得大的ω捕获值。除了MOF的吸附性能外，还需要优化填充孔隙率的设计，以增强晶间扩散，并在夜间14-16小时内达到ω捕获(16)。
MOF吸附的能量消耗于三个不同的过程：克服MOF-水的相互作用(qH，潜在＝ω捕获qst)、提高MOF的温度(qH，明显)以及由于热损失而耗散(qH，损失)。考虑到对于MOF qH，明显＜＜qH，潜在，和对于绝热吸附剂容器qH，损失＜＜qH，明显，大部分吸附的能量都消耗于破坏MOF-水的相互作用以释放水，并且因此，具有低等量吸附热(qst)的MOF是期望的。具有最大化水释放的实际捕获循环应遵循不等式1，此处我们考虑允许释放全部量的捕获水的最小太阳能(qH，最小)(S9节)(16)。
捕获循环的性能可以通过释放效率(ηR)，方程2评估，其中m释放和m捕获分别是释放水和捕获水的绝对质量，并且ω释放是每单位质量MOF释放的水的质量(ω释放≤ω捕获)。对于特定的ω捕获，通过使用具有高的太阳吸收率、高的热导率、小的热容量的MOF和具有最大表面与体积比的吸附剂容器，可以实现最大的释放效率。由于阳光暴露的时间段有限，因此在高温下从MOF释放水应该显著快于从沙漠空气中捕获水。
qH，最小＞ω捕获qst (1)
用于冷凝从MOF释放的水蒸气所需的冷却能量用在三个过程上：降低空气和释放的水蒸气的温度(qC，明显)，结露(qC，潜在＝ω捕获hfg)和由于热损失而耗散(qC，损失)。考虑到水的相变比热值(hfg)(即冷凝焓)大，大部分冷却能量都用于冷凝而不是明显冷却(qC，明显＜＜qC，潜在)。具有足够冷却能力的实际收集循环应满足以下标准：
qC，最小＞ω捕获hfg (3)
不等式3指出，任何用于大气水生产的设计都应考虑理论上允许全部释放水量冷凝的最小值(qC，最小)。收集循环的性能由收集效率(ηC)评估，
其中m收集和mMOF分别是所收集的水和MOF的质量。
在沙漠气候中水生产的主要挑战是仅利用环境冷却将冷凝器温度保持在露点以下。这可以通过使用具有大的冷却表面和增强的对流热传递和质量传递的高效的冷凝器实现。冷凝器有一个理论最大容积，超过该容积空气饱和是不可能的(S9节)(16)。
WHC的总效率由如下定义的收集效率(ηWHC)给出：
根据方程5，只有当从MOF释放的水量等于捕获量(ηR→1)并且所有释放的水都被冷凝(ηC→1)时，才有可能高效生产水。
基于该WHC和以上讨论的考虑，设计了最初使用MOF-801作为吸附剂的水收集系统。选择MOF-801的几个原因如下：(a)高水解稳定性，(b)研究良好的水吸附行为，(c)良好的循环稳定性，(d)再生所需的能量低，以及(e)满足实际水生产所有上述先决条件的吸附等温线(7)(图92A)。与大多数MOF一样，MOF-801在红外(IR)和近红外区域显示低吸收率、低热导率(17)和高热容量(18)，减少了使用太阳热能的直接加热。因此，将MOF-801与33重量％的无孔石墨(称为MOF-801/G)共混，以增强其热物理和吸附性质。水收集器包括两个主要部件：装有MOF的水吸附单元，以及将MOF围起来的壳体(图92B)。假设填料的孔隙率为0.7—水分传递的理想值(15)，水吸附单元被设计为保留高达2945cm3的吸附剂，相当于1.2kg MOF-801(1.65kg MOF-801/G)。选择吸附剂容器的几何形状以促进MOF的较大的表面体积比(>0.5)。在我们最初的概念验证设计(15)中，我们证明了在10％RH下将MOF-801加热至65℃足以释放水，然而，在这些条件下，冷凝器温度应低于20℃以实现冷凝。这种显著的温度梯度是通过将水吸附单元设计作为热绝缘体而产生的，该热绝缘体能够在加热MOF的同时保持较低的冷凝器温度。通过将IR反射涂层施加至所有暴露的表面，最小化水吸附单元本身的太阳热增量。立方体壳体具有罩并包围水吸附单元(图92B)。壳体的侧壁充当冷凝器，并提供用于与周围环境进行热传递的表面。壳体可以打开或关闭以在夜间期间饱和和在白天期间释放冷凝。最后，将反射器连接至罩，以确保仅MOF的表面暴露于太阳辐射。温度和湿度传感器放置在MOF粉末的表面处和MOF粉末内、壳体的底部和冷凝器中。用这些传感器记录并在下面讨论的数据使能够计算释放效率、收集效率和WHC效率。
在典型的实验室实验中，吸附剂饱和过夜(RH＝30-50％，18-25℃，16.5h)。饱和后，将壳体密封并暴露在人造光(2700K)下。数据是在低辐射通量(558Wm-2)和高辐射通量(792Wm-2)下收集的，分别代表一天的过程中的平均太阳辐照度和诸如亚利桑那州(33°N，111°W)的沙漠地区的峰值太阳辐照度。7.5小时后，终止实验，并收集液态水。
在低辐射通量和高辐射通量下，使用1.65kg的MOF-801/G进行了初始实验。在将冷凝器温度保持在20℃的同时，在大约30分钟之后观察到冷凝器上的雾的形成(图93A)。进入实验2-3小时，发生水滴形成，水滴随后凝聚成更大的水坑(请参阅补充影片S1-S4)(16)。低辐射通量和高辐射通量的水生产分别产生25g和56g水。使用湿度和温度测量，发现针对低通量和高通量的效率分别为ηR＝39％和76％，ηC＝30％和43％，ηWHC＝12％和33％。低的收集效率表明释放的水量和冷凝器的冷却能力之间不匹配(即，捕获和收集循环之间不匹配)。通过使用一半负载的MOF-801/G(0.825kg)进行相同的实验解决此问题。值得注意的是，即使使用了较少量的吸附剂，也收集了更大量的水(针对低通量和高通量分别为37g和78g水)，导致提高的效率分别为ηR＝44％和86％，ηC＝93％和92％，ηWHC＝41％和79％。这些主要的改进归因于更大的表面与体积比(约1)导致的改善的水释放(ω释放→ω捕获)以及导致更长的有效冷凝时间的MOF内更快的能量传递(第S9节)(16)。虽然使用甚至更少量的MOF-801/G导致ηC和ηWHC的进一步改善，但水的绝对收率降低。因此，使用0.825kg的MOF-801/G为我们提供了一个平衡良好的高ηR和ηC值以及高名义上的水收率的水收集器，其应该能够在环境冷却下和仅依靠太阳热能(如在沙漠里)操作。产生的水的化学分析表明，对于所有实验均不存在源于MOF溶解的污染(S11节)(16)。
然后我们于2017年10月下旬将该设备转移到亚利桑那州的斯科茨代尔，以研究其在沙漠条件下的性能：白天期间在35-40℃下RH低至5％，夜间期间在10-15℃下RH高达40％并且以验证上面讨论的水收集原理(图93B)。然而，在沙漠条件下使用水收集器进行的最初实验没有成功，并且也没有产生液态水。白天期间的高环境温度导致急剧升高的冷凝器温度(42℃)，将MOF和冷凝器之间的温度差降低到大约30℃，阻碍了冷凝(在冷凝器处，RH<88％)。为了通过从周围环境热传递避免冷凝器变暖，使用了具有高热容量和低热导率的外部绝缘体(土壤)(20)。这种改进促使冷凝器温度显著降低了10℃，并在冷凝器处产生94％的RH。因此，观察到雾的形成，但是MOF和冷凝器(40℃)之间的温差仍不足以达到冷凝更大量的水所需的较高湿度比。需要更多的太阳能以进一步增加MOF与冷凝器之间的温差。在十月份期间，斯科茨代尔的太阳高度(DMS纬度：33°30'4.7664”N，DMS经度：111°55’31.0008”W)在早晨和下午(上午9点至下午4点)的20°与正午的45°之间变化(21)。因此，将水收集器安装在支架上并倾斜37°，以使MOF吸收的太阳能最大化。通过这种改进，可以复制与实验室条件下记录的MOF温度类似的MOF温度，并且实际上，在7小时后，收集了液态水。如冷凝器处RH的瞬时升高所指示的，更多吸收的太阳能允许更快的水释放，这与冷凝器本身的延迟加热相结合，促进了冷凝(图93B)。使用0.825kg的MOF-801/G，收集到55g的水，该值介于实验室条件下对于低通量获得的值(37g)和对于高通量获得的值(78g)之间。这与图93C中所示的相应温度和RH曲线非常一致。
为了使这种发展更接近于实际应用，我们试图制造具有增强的水吸附性质的MOF，其有可能满足工业大规模生产的规格。我们开发了下一代材料MOF-303[Al(OH)(HPDC)：其中HPDC＝1H-吡唑-3,5-二羧酸酯]的合成，采用铝代替锆作为金属，并用水代替有机溶剂。它具有基于xhh拓扑的新结构，并由通过HPDC连接体连接的无限Al(OH)(-COO)2SBU构建(图94A)(22)。MOF-303的结构的特征为直径为
的亲水的1D孔和0.54cm3g-1的自由孔体积，促进实现0.48gg-1的大的最大水捕获容量。水吸附等温线满足前面概述的高性能水收集材料的所有先决条件：IV型等温线在P/P0＝0.15处具有拐点，在P/P0＝0.3处达到平稳状态，并且观察到良好的温度响应和最小的滞后现象(图94B)。尽管MOF-303的ω捕获较大，但见于亚利桑那州的操作条件(夜间RH、环境温度和太阳通量)满足qH，最小和qC，最小两个标准，因此使本水收集器适用于MOF-303。与MOF-801相似，通过将MOF-303与33重量％的无孔石墨(称为MOF-303/G)共混，提高MOF-303的热物理和吸附性质。在上述相同的实验室条件下对MOF-303/G进行了测试，并且发现其产水量显著增加了114％(S9节)(16)。
最终，根据WHC的吸附剂的性能由生产率P(单位为gkg-1)定义：
其中m吸附剂是吸附剂的用量(单位kg)。该参数可用于比较同一水收集器中相同条件下各种材料的性能。选择沸石13X作为参比是因为它是一种常见的微孔干燥剂，其孔径和孔体积与MOF-801和MOF-303的孔径和孔体积相似。图94C示出了对沸石13X、MOF-801/G和MOF-303/G计算的生产率的比较。这种比较是惊人的证据，证明MOF独特的水吸附性能是在环境冷却下由沙漠空气生产水并且仅由太阳热能驱动的关键。高达175g水kg-1 MOF的MOF-303/G的超高生产率在实现由沙漠空气的实际水生产方面是令人鼓舞的。
本报告概述的规范用于由沙漠空气实际生产水的能源、材料和空气要求的公开标准应适用于世界各地区。
S1节.MOF合成和分析的材料和分析技术
S1.1节.材料
八水合氯氧化锆(ZrOCl2·8H2O，纯度≥99.8％)、六水合氯化铝(AlCl3·6H2O，纯度≥99.8％)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(HPLC级)、富马酸(纯度≥99％)、3,5-吡唑二羧酸一水合物(H3PDC)(纯度≥97％)、沸石13X、氢氧化钠购自Sigma-Aldrich公司。无水DMF和甲酸(纯度≥99.8％)获得自EMD Millipore Chemicals。超细石墨粉末获自AGS公司。甲醇(HPLC级)购自Fisher Scientific。氘化溶剂获得自Cambridge Isotope Laboratories。所获得的所有化学品无需进一步纯化即可使用。派热克斯(Pyrex)螺帽式介质储存罐用于合成、溶剂交换和储存。
S1.2节.分析技术
粉末X射线衍射(PXRD)图是使用Bruker D8 Advance衍射仪(
镜单色CuKα1辐射，
)获得的。MOF-303的单晶X射线衍射(SXRD)数据是使用在LawrenceBerkeley National Lab.的高级光源光束线11.3.1处的合成晶体收集的。在QuantachromeQuadrasorb-SI体积气体吸附分析仪上记录N2吸附等温线。使用液氮浴在77K下进行测量。使用比重瓶(Ultrapyc 1200e，Quantachrome)测量所有MOF和MOF/G样品的骨架密度。衰减全反射傅立叶变换红外(ATR-FTIR)光谱记录在Bruker ALPHA铂ATR-FTIR光谱仪上。热重分析(TGA)痕迹是在TA Instruments SDT Q600系列热重分析仪上测量的。在平流进入TGA室之前，通过将干燥的空气鼓泡通过2L鼓泡加湿器加湿气体。使用高精度热电偶和TGA室上游的湿度传感器监控湿度和温度。在BEL Japan BELSORP-aqua3上测量了水等温线和循环稳定性测试，并以立方厘米/克为单位估算了水吸收。在水吸附测量之前，将水(分析物)在液氮下速冻，然后在动态真空下抽真空至少三次，以除去储水罐中的任何气体。使用水循环器控制测量温度。氦气用于评估气体和水吸附测量二者的死区。在所有实验中均使用超高纯度N2和He(Praxair，纯度为99.999％)。扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDS)图像记录在具有10kV加速电压的FEI Quanta 3D扫描电子显微镜上。用在500MHz下操作的Bruker DRX-500光谱仪记录1H-NMR光谱。使用ICP-AES光谱仪(Optima 7000 DV，PerkinElmer)分析了收集的水的样品中的铝和锆含量。在Varian Cary 5000光谱仪上记录285至2500nm的漫反射光谱，并使用Shimadzu UV3600记录285至3000nm的吸收光谱。
S2节.MOF-801的合成与表征
S2.1节.MOF-801微晶粉末的合成
MOF-801、Zr6O4(OH)4(富马酸酯)6的预先按比例放大的合成：在100mL螺帽式的罐中，将1.16g(50mmol)的富马酸和3.2g(50mmol)的ZrOCl2·8H2O溶解在DMF和甲酸(分别为40mL和14mL)的混合溶剂中。然后将混合物在等温烘箱中于130℃加热10小时，以得到白色沉淀形式的制备好的MOF-801。通过使用膜过滤器(孔尺寸为45μm)过滤收集沉淀物，每天用100mL DMF洗涤3次，持续3天，然后每天用100mL甲醇洗涤3次，持续3天，并且然后在空气中干燥。将空气干燥的MOF样品转移至真空室。首先将室在室温下抽真空5小时，直到压力降至1kPa以下。之后，将样品在70℃的真空中加热12小时，然后在150℃下再加热48小时，产生白色粉末形式的活化的MOF-801(产量：2g)。将该批次进一步用于确定水吸附特性曲线和用于吸附和解吸的TGA动力学。
按比例放大的合成：在典型的程序中，在500mL螺帽式的罐中，将5.8g(50mmol)的富马酸和16g(50mmol)的ZrOCl2·8H2O溶解在DMF和甲酸(分别为200mL和70mL)的混合溶剂中。然后将混合物在等温烘箱中于130℃下加热过夜，以得到白色沉淀形式的制备好的MOF-801。产量：约10g。从五个反应罐中收集组合的沉淀物，每天用500mL DMF洗涤3次，持续3天，然后每天用500mL甲醇洗涤3次，持续3天，然后在空气中干燥。
S2.2节.MOF-801按比例放大的活化
将空气干燥的MOF样品转移到真空室中。首先将室在室温下抽真空5小时，直到压力降至1kPa以下。之后，将样品在70℃下在真空中加热12小时，然后在150℃下再加热48小时。然后，将140个罐中组合的产品在铝制盘上于干燥烘箱中于160℃下放置10天，然后进行水生产实验。总体而言，活化的微晶MOF-801粉末的产量为1100g。
S2.3节.活化的MOF-801的表征
PXRD、EDS分析和SEM图像：通过PXRD检查了活化的微晶MOF-801。将地面样品放在零背景样品架上，并安装在衍射仪上。从3至50度收集数据，步长为0.01，并且总数据收集时间为30分钟。进行了SEM和EDS测量以研究块状MOF粉末的形貌和元素组成。
孔隙率和堆积密度分析：从1100g充分混合的活化微晶粉末MOF-801中取出35mg样品，并将其转移至9mm的球形气体单元，并充入N2以避免空气污染，然后将该单元安装在仪器上。收集了26个吸附点和11个解吸点。
根据比重瓶测量(骨架密度ρs＝2.3116±0.0075gcm-3)和BET孔体积测量(Vp＝0.2810cm3g-1)，估计活化的MOF-801的粉末颗粒密度(ρp)为1.401gcm-3(方程S1)。
S2.4节.水容量性质的评估
从活化的预先按比例放大的一批MOF-801中取出34mg样品，并将其转移至9mm的球形气体单元，并充入N2以避免空气污染，然后将该单元安装在仪器上。使用水浴控制吸附剂的温度。
活化的MOF-801的特性曲线和等量吸附热：使用波兰尼吸附势理论(方程S2,3)估计特性A-W水吸附曲线，
其中A是吸附的摩尔吉布斯自由能，p0是随温度变化的水蒸气压，W是吸附的液体体积，q是吸附的质量，ρliq wf是水的液体密度。
使用克劳修斯-克拉佩隆关系估计等量吸附热。
S3节.MOF-801/G的制备和表征
S3.1节.混合物的制备
在2L罐中将1100g活化的按比例放大的微晶MOF-801粉末与550g石墨粉末混合，以产生1650g的67:33重量％的MOF-801-石墨混合物，称为MOF-801/G。通过摇动罐直至MOF/G粉末具有均匀的灰色，将所得混合物充分混合。观察到MOF-801粉末聚集成大颗粒，使用刮刀将这些聚集体压碎并重新混合。在没有任何另外的活化的情况下，在结晶度、粉末密度、孔隙率和水吸收性质方面进一步表征所得混合物。
S3.2节.MOF-801/G的表征
石墨的PXRD以及活化的MOF-801/G的PXRD、EDS分析和SEM图像：可商购的石墨粉末未经任何改进即可用于PXRD实验。将粉末样品放在零背景样品架上，并安装在衍射仪上。从3至50度收集数据，步长为0.01，总数据收集时间为30分钟。SEM和EDS图像用于研究块状MOF-801/G粉末的形貌和元素组成。
孔隙率和堆积密度分析：由于这项工作中使用的石墨的孔隙率极低，其在77K下的N2等温线的测量因仪器误差较大而变得复杂。因此，未示出纯石墨的N2等温线。
将78mg充分混合的活化的MOF-801/G转移至9mm的球形气体单元，并充入氮气，以避免空气污染，然后将单元安装在仪器上。收集了26个吸附点和11个解吸点。
通过将纯MOF-801的表面积乘以混合物中MOF的比例确定MOF-801/G的预期BET表面积：582mg-1×67重量％＝389m2g-1
根据比重瓶测量(骨架密度ρs＝2.2822±0.0105gcm-3)和BET孔体积测量(Vp＝0.2060cm3g-1)，估计活化的MOF-801/G的粉末颗粒密度(ρp)为1.552gcm-3(方程式S1)。预期的粉末颗粒密度计算如下：
S3.3.水吸附性质的评估
将78mg活化的MOF-801/G的样品转移至9mm球形气体单元中并充入N2以避免空气污染。随后将单元安装在仪器上。
S4节.MOF-303的合成与表征
S4.1节.微晶MOF-303粉末的合成
MOF-303、Al(OH)(HPDC)(H2O)：将10.4g六水合氯化铝(AlCl3·6H2O，43.08mmol)和7.5g 3,5-吡唑二羧酸一水合物(H3PDC，43.08mmol)溶解在1L玻璃罐中的720ml水中，在搅拌下向上述混合物中滴加30ml氢氧化钠(2.6g，65mmol)水溶液。然后将罐密封并在100℃的等温烘箱中加热24小时。(产量：3.0g，基于连接体的35％)。通过在4mL H2O中结合0.6mmolAlCl3·6H2O，0.6mmol H3PDC和0.7mmol NaOH制备适合X射线衍射研究的单晶。将所得混合物密封在23mL高压釜中，并在100℃的等温烘箱中放置7天，对于Al(OH)(C5H2O4N2)(H2O)的EA:计算:C，27.79；H，2.33；N，12.96％。实际测量值：C，27.62；H，2.26；N，12.74％。ATR-FTIR(4000-400cm-1)：1667(w)，1601(s)，1525(m)，1482(w)，1440(m)，1386(s)，1193(m)，1106(m)，998(s)，848(w)，791(s)，588(br)，456(s)，422(w)。
S4.2节.MOF-303活化
通过过滤收集合成的白色结晶MOF-303粉末，并每天用水洗涤三遍，持续三天，然后每天用甲醇洗涤三遍，持续三天，然后将其过滤并在空气中干燥。将空气干燥的MOF样品在室温下抽真空，直到压力降至1kPa以下。之后，将样品在真空中于100℃加热24小时，然后在150℃再加热48小时。然后将来自150个罐的组合的MOF粉末放在铝盘上，并转移到干燥烘箱中，并在表征之前在160℃加热10天。总体上，制备了450g活化的微晶MOF-303粉末。
S4.3节.单晶和微晶粉末MOF-303的表征
单晶X射线衍射分析：在LBNL ALS的光束线11.3.1处收集合成的MOF的无色板状(20μm×20μm×10μm)晶体的单晶X射线衍射数据，该LBNL配备了使用在
同步辐射(10-17KeV)的Bruker Photon 100CMOS区域检测器。将晶体安装在
Kapton环上，并置于100(2)K氮气冷气流下。使用Bruker APEX2软件包(23)处理数据，使用SAINTv8.34A进行整合，并通过SADABS程序对吸收进行校正(不对消光或衰减进行校正)。通过本征相位法(SHELXT)解析结构，并在F2(SHELXL-2014)上通过全矩阵最小二乘法进行细化(24)。从单晶数据获得了MOF-303的原子位置，但是由于晶体的不良衍射，各向异性细化仍然不稳定。基于从单晶数据获得的结构模型，使用Materials Studio对结构进行细化(25)。选定的晶体数据和原子位置在表1,2中给出。
表1.具有单晶数据集的MOF-303的晶体数据和结构确定。
表2.MOF-303的原子位置
PXRD、EDS分析和SEM图像：活化的微晶MOF-303用于PXRD实验。将地面样品放在零背景样品架上，并安装在衍射仪上。从3至50度收集数据，步长为0.01，总数据收集时间为30分钟。SEM和EDS图像被用来研究块状MOF-303粉末的形貌和元素组成。
孔隙率和堆积密度分析：从450g充分混合的活化的MOF-303中取出45mg样品，转移至9mm球形气体单元并充入N2，以避免空气污染。然后，将单元安装在仪器上。收集了26个吸附点和11个解吸点。
根据比重瓶测量(骨架密度ρs＝2.4591±0.0037gcm-3)和BET孔体积测量(Vp＝0.3670cm3g-1)，活化的按比例放大的MOF-303的粉末颗粒密度(ρp)估计为1.293gcm-3(方程S1)。
S4.4节.水容量性质的评估
从活化的按比例放大的MOF-303中取出38mg样品，转移至9mm球形气体单元，并充入N2，以避免空气污染。然后将单元安装在仪器上。使用水浴控制吸附剂的温度。在预先按比例放大的MOF-303的情况下，分析了27mg样品。
S5节.MOF-303/G的制备和表征
S5.1节.混合物的制备
在2L罐中将450g活化的按比例放大的MOF-303与150g石墨粉末混合，以产生600g67:33重量％的MOF-303/G。通过摇动罐将得到的混合物充分混合，直到MOF-303/G混合物具有均匀的灰色。观察到MOF-303粉末聚集成大颗粒。使用刮刀将这些聚集体进一步压碎并重新混合。在没有任何另外的活化的情况下，在结晶度、粉末密度、孔隙率和水吸收性质方面进一步表征所得混合物。
S5.2节.MOF-303/G的表征
活化的MOF-303/G的PXRD、EDS分析和SEM图像：将粉末样品放在零背景样品架上，并安装在衍射仪上。从3至50度收集数据，步长为0.01，总数据收集时间为30分钟。SEM和EDS图像用于研究块状MOF-303/G粉末的形貌和元素组成。
孔隙率和堆积密度分析：从600g充分混合的活化的MOF-303/G中取出65mg样品，转移至9mm球形气体单元并充入氮气，以避免空气污染。然后将单元安装在仪器上。收集了26个吸附点和11个解吸点。
通过将纯MOF-303的表面积乘以混合物中MOF的比例确定MOF-303/G的预期BET表面积：
989m2g-1×67重量％＝662m2g-1。
根据比重瓶测量(骨架密度ρs＝2.5452±0.0015gcm-3)和BET孔体积测量(Vp＝0.2820cm3g-1)，估计活化的MOF-303/G的粉末颗粒密度(ρp)为1.482gcm-3(公式S1)。预期的粉状颗粒密度计算如下：
S5.3.水容量性质的评估
从活化的MOF-303/G中取出65mg样品，转移至9mm的球形气体单元并充入N2，以避免空气污染。然后，将单元安装在仪器上。
S6节.吸附剂的比较
S6.1节.沸石13X的表征
在PXRD测量之前，在没有任何改性的情况下，使用可商购的Zeolite13X样品。将粉末样品放在零背景样品架上，并安装在衍射仪上。从3至50度收集数据，步长为0.01，总数据收集时间为30分钟。
S6.2节.太阳通量响应
将粉末样品包装在由挤出的聚苯乙烯泡沫制成的绝缘单元中。将白炽灯(150W)放置在单元上方60cm处，以确保1000±30Wm-2的通量与单元的理想垂直暴露。在通量暴露之前，将单元温度与周围环境平衡。使用日射强度计监测太阳通量，并在单元底部获取温度读数。测量在25±0.5℃的环境温度下进行。在所有测量中均使用1g粉末样品。
S6.3节.近红外性质
对于测量的样品，假定透射为零，并且反射率分别根据高或低吸收样品的方程S4或S5转换为吸收，
其中α是吸收率，R是反射率。观察到与纯样品相比，对于MOF-801/G和MOF-303/G两者，吸收均显著增加。
S6.4节.水动力学的比较
将粉末样品放入铂盘中，并在0％RH(干燥空气)下加热至150℃。然后，使温度在25℃和0％RH下平衡24小时。吸附测量在25℃和40％RH下进行；解吸测量在85℃和0％RH下进行。重量百分比估计为(活化的材料的质量+吸附的水的质量)/(活化的材料的质量)。
S7节.水收集器
S7.1节.材料
透明有机玻璃/PMMA(0.5"和0.25"厚)和具有连接接头的T型槽铝框架(单轨，银，1-1/2"高×1-1/2"宽)购自McMaster-Carr。太阳吸收涂层(Pyromark 1200高温涂料)购自
高流明白炽灯泡(150瓦，2710流明，100CRI)由Bulbrite制造。挤出的聚苯乙烯泡沫(24"×24"宽，1"厚)购自Owens
丙烯酸接合剂由Scigrip制造。底漆、白色和透明光泽2X涂料由Rust-Oleum制造。
S7.2节.太阳通量响应
将圆形聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)片包装在由挤出的聚苯乙烯泡沫制成的绝缘单元中。将灯放置在单元上方60cm处，以确保1000±30Wm-2的通量与单元的理想垂直暴露。在通量暴露之前，将单元温度与周围环境平衡。使用日射强度计监测通量，并在单元底部获取温度读数。所有测量均在25±0.5℃的环境温度下进行。
S7.3节.近红外性质
在Shimadzu UV3600上在285和3000nm之间记录了PMMA的吸收光谱。在紫外和可见光区域使用了PMT检测器，使用InGaAs和冷却的PbS检测器用于长波长检测。分光光度计配有波长范围为185至3300nm的双单色仪。在所有实验中均使用了与用于罩的构造(1/8")的相同的PMMA。对PMMA进行了无涂层测量并使用了底漆和白色涂料的薄涂层。对于底漆和白色涂料二者，观察到可见光和红外区域的吸收增加，这可以用较高的反射率解释。
S7.4节.水吸附单元
水吸附单元包括吸附剂容器、支撑壁和热绝缘隔室。支撑壁是四个矩形透明片(18.25"×8.00"×0.25")，其被安装在底部丙烯酸支撑板(18.50"×18.50"×0.25")上，以在水捕获/释放期间将吸附剂容器保持在期望的位置。随后将吸附剂容器(16"×16"×1"深)粘贴到支撑壁的上侧，以形成密封良好的箱，避免水转移至热绝缘体。
为了在释放期间增加吸附剂的温度，吸附剂容器的底表面和侧壁涂覆有高的太阳能吸收性黑色涂层。
热绝缘隔室填充有具有导热性和高热容量的挤出的聚苯乙烯泡沫，以最小化从容器的侧面和底面的热损失。玻璃纤维也被放置在侧壁和挤出的聚苯乙烯泡沫之间，以避免在水吸附单元内任何浮力空气循环，并最小化热绝缘隔室内的对流热传递。支撑壁的外表面涂覆有在太阳光谱的红外区域具有高反射率的白色涂料，以最小化水吸附单元的辐射加热，并有助于将冷凝器温度保持在露点以下。
S7.5节.壳体
壳体由丙烯酸壁(22"×22"×0.25")组成。壳体的侧壁防止水向/从周围环境转移，并且它们参与冷凝器和预冷气流通道内发生的热传递。壳体的上侧为安装罩和太阳反射器提供了刚性基座，而壳体的底部丙烯酸板(22"×22"×0.25")连接至支撑框架和平台(用于沙漠实验)。罩是由透明的丙烯酸(24"×24"×0.125")制成的，在可见光和近红外范围内具有高的透射率。使用12个螺钉将罩拧到壳体顶部，并使用防潮且不透水的垫圈密封，以消除任何潜在的间隙，从而防止泄漏。
在释放过程中，蒸气和加热的空气流过气流通道到达壳体的底部。主要在侧壁上观察到冷凝。气流通道为45mm宽，并允许封闭系统内的浮力空气循环。空气与壳体的侧壁之间的热传递主要是由于对流，而排出的热则通过壳体的侧壁传导至周围环境。侧壁上的水滴逐渐向下滑动并积聚在通过2.45cm间隔件与水吸附单元隔开的壳体底部。
S7.6节.太阳能反射器
太阳能反射器位于罩的顶部，其有利于(i)将太阳辐射收集和偏转到吸附剂上，以及(ii)遮蔽冷凝器、水吸附单元的暴露表面、气流通道和壳体的底部。
S8节.数据采集与传感器
在收集实验期间，在壳体内的各个位置记录了温度和湿度读数。另外，在非常接近水收集器处测量环境空气的湿度和温度。
S8.1节.湿度测量
使用具有热固性聚合物电容感测元件的集成电路传感器(Honeywell HIH-4021)记录湿度读数。传感器相对较小(12mm×4mm×2mm)，因此它们与盒子内部的气流没有明显的相互作用。湿度传感器的电压输出使用National Instruments数据采集系统(具有NI9205 32-通道模拟输入模块的cDAQ-9174)进行记录，并使用LabView 2016进行处理以收集和可视化数据。使用HygroCal100湿度发生器(美国马萨诸塞州Michell公司)，在RH(5％<RH<90％，RH增量为5％，T＝25℃)范围内校准湿度传感器。七个HygroSmart HS3电容湿度传感器(精度为±0.8％)用于确保整个HygroCal 100湿度室的湿度均匀性(小于±0.5％)。通过使用在0.5至100％的相对湿度范围具有±0.2℃露点和0.5％RH精度的外部标准参考精度露点仪(Optidew Vision precision，美国马萨诸塞州Michell公司)，消除偏置误差。在每个湿度水平下，以30秒的采样频率对湿度传感器的电压输出进行50次测量，同时通过增加(5％至90％)和减少(95％至5％)湿度的循环确定滞后效应。使用方程S6计算每个湿度水平下湿度传感器的精度不确定度(Up)：
Up＝S×t (S6)
其中S是精度指数，即模拟读数的标准偏差的平方根和t是双尾学生的t因子(对于50个数据点为2)。发现湿度传感器的最大精度不确定度为±0.01％。应用线性回归以将传感器电压输出(0.5-3.0V)转换为相对湿度(0-100％)(图50)。大的测定系数(R2>0.99)证实了传感器在恒定温度下的线性响应，导致数据减少的偏差不确定度Ufit小于±0.6％。使用方程S7计算出0.7％的总偏差不确定度(UB)，来自参比湿度的偏差不确定度(Uref＝0.5％)和数据减少的偏差不确定度(Ufit＝0.6％)：
根据方程S8，发现湿度测量中的总不确定度(UT)小于±1％。
由制造商提供的温度补偿关系方程S9用于调节不同温度下的相对湿度值。
其中T是工作温度，单位为摄氏度。应该注意的是，尽管温度补偿关系可以用来确定高温下的相对湿度，但是在较高的温度和相对湿度(例如，±5％RH当RH＝80％且T＝85℃)下，湿度读数的不确定度可能会急剧增加。
S8.2节.温度测量
T型热电偶(Neoflon PFA，American Wire Gauge 40，Omega Eng.)用于温度测量。使用National Instruments数据采集系统(具有NI 9214 16-Ch等温TC模块的cDAQ-9174)采集热电偶的输出信号，并使用LabView 2016对其进行处理以收集和可视化数据。使用Hart Scientific 9103干井校准器在15-105℃的范围以5℃的增量校准热电偶，精度为±0.25℃。在每个参比温度下，以5s的采样率获取40个读数，同时通过增加和减小的温度环路确定滞后效应。使用具有学生的t因子为2的方程S6，发现精度不确定度小于±0.01℃。线性回归曲线用于数据减少，其导致±0.04℃的偏差。使用方程S8发现温度读数的最大总不确定度小于±0.25℃。
S9节.实验室条件下的WHC
S9.1节.人造通量发生器
为了比较在自然阳光下的辐射和在实验室条件下为收集实验记录的辐射，对水收集器暴露的顶部表面的辐射进行了扫描。为此，测试了两灯配置(两个和三个灯)，并且每次运行收集了25个数据点。调节灯，以使壳体的罩的中心的日射强度计读数在此工作报告的实验室实验期间的读数范围内(两个和三个灯分别为830Wm-2和1140Wm-2)。两灯配置进行了两次运行，四灯配置进行了四次运行。基于这些测量，计算出两种配置的校正因子。计算出的两个灯的平均辐照度(Wm-2)等于在罩的中心测得的值的67.25％，以及计算出的三个灯的平均辐照度等于在罩的中心测得的值的69.56％。对于每次运行，都使用相对于彼此旋转90°的两个方向(100个数据点)。该校正因子可以对太阳辐照度(基于由源自SMARTSv.2.9.2的ASTM G173-03参比光谱提供的数据，直接+围绕太阳)与使用普朗克辐射定律(方程S10)和2700K的温度在285-3000nm范围(由日射强度计记录的光谱范围)计算的灯的理论光谱进行定性比较，
其中c1是3.741832·10-16Wm2，c2是438786·10-2K m，λ是波长，T是黑体的温度，
是光谱辐照度。所得光谱显示在图52(两个灯)和图53(三个灯)中。在图52和图53中分别给出了对于一个方向测量的入射通量的分布和所有方向的平均值。
吸附剂的平均半球吸收率(α)和用于人造辐射的罩的透射率(τ)使用以下方程确定：
其中，αλ(λ)和τλ(λ)分别是光谱方向的吸收率和透射率，并且
是太阳或人造辐射的光谱分布(如图52所示)。使用MATLAB R2017a(26)进行了数值积分，α和τ的计算值在表3中列出。
表3.人造和太阳辐射的材料在285-2500nm范围的平均半球吸收率和透射率。
9.2节.实验室条件下的水生产
在受控的实验室条件下，对沸石13X、MOF-801/G、MOF-303/G进行了一组水收集实验。为了排除源于水分吸附单元、壳体和石墨颗粒之间残留的湿度的误差，使用空的吸附剂容器和石墨进行了收集实验。表4总结了实验中使用的吸附剂的量以及吸附/解吸条件。
表4.实验室中水收集的测试条件。
在实验室条件下用于水收集的相对湿度/温度实验数据：所有实验室水收集循环的温度和相对湿度曲线在图55-68中示出。给出每个实验收集的液态水的量。显示了饱和的最后30分钟以评估饱和条件。低通量和高通量分别为558和792Wm-2。温度传感器放置在吸附剂的表面(吸附剂表面)、吸附剂中(吸附剂内部)、壳体的侧壁(外部侧壁)、冷凝器的底部(冷凝器)和外部(环境)。由环境RH和温度读数估算环境露点温度。相对湿度传感器放置在吸附剂表面的顶部(吸附剂表面)、靠近冷凝器的壳体的底部(冷凝器)和外部(环境)。
对于实验13和14(表4)，使用Espec环境室进行饱和。将吸附剂从室中取出并转移到水吸附单元后，将壳体密封，并立即开始释放过程。
S9.3节.评估水收集循环性能
根据饱和的最后30分钟的温度和RH曲线估计捕获能力ω捕获。假设吸附剂和空气相互平衡，即RH和温度值的变化小于液态水收集前最后30分钟收集实验的不确定性，根据温度和RH曲线估算最终容量ω最终。每质量吸附剂释放的水量ω释放是ω捕获和ω最终之间的差。表5显示了捕获、释放和水收集循环的效率以及生产率。
表5.实验室条件下的水生产的性能参数。
S9.4节.水释放的设计考虑
在本节中，讨论了估计用于从MOF释放水和随后的冷凝所需的能量的理论方法。
图70显示了入射辐射通量
其一部分穿过透明罩，随后被单位质量的MOF吸收
该能量的一部分以辐射热损失
和对流热损失
的形式损失。忽略了由罩发出的热辐射，并假定通过使用具有低热导率(0.027Wm-1K-1)的挤出的聚苯乙烯泡沫将导热损失降至最低。
考虑到在任何给定时间在MOF内的均匀温度分布
包括MOF的控制体积的能量平衡为：
吸附剂填料的随时间变化的有效性质由以下方程式定义，
ρ有效＝ρMOF(1-ε)(1+ω)+ρ空气ε (S14)
和
，其中，ε、cp、ρ分别是填充孔隙率(不包括MOF内部孔体积)、热容和密度。用方程S14和S15替换方程S13中的有效性质并在释放期间对方程S13进行积分，结果是：
假设在释放温度下的释放过程期间，全部捕获的水量被解吸，释放的水蒸气与MOF处于热平衡，并且假设密度和热容量随温度的变化很小。方程S16变为：
每质量MOF的总接收能量定义为：
总明显能量定义为将MOF的温度从捕获温度提高到释放温度所消耗的每单位质量MOF的能量，如下所示：
总潜在能量定义为从MOF解吸全部量的捕获水所消耗的每单位质量MOF的能量，如下所示：
q潜在＝ω捕获qst (S20)
q明显和q潜在的考虑：在本节中，根据我们有关MOF-801/G的初步实验室数据，对设计的水收集器的q明显和q潜在进行了比较。对于水捕获过程，考虑在25℃下RH为35％，导致ω捕获＝0.14。由吸附等温线确定的平均值qst,801＝3000kJkg-1，得到q潜在＝420kJkg-1。对于cp,801＝760Jkg-1K-1和ρp,801＝1400kgm-3(15)，cp,G＝760Jkg-1K-1和2150kgm-3(27)，然后混合物的密度和热容量分别为ρp,801/G＝1584kgm-3和cp,801/G＝743Jkg-1K-1。对于不同△TWH＝T释放-T捕获的q明显和q明显/q潜在的值示于图71中，其中在平均释放和捕获温度下计算了水和空气的性质。结果表明，释放过程中的q明显<<q潜在，因此，几乎所有入射能量都用于克服MOF-水的相互作用。
其中αλ和τλ分别是MOF-801/G的吸收率和罩的透射率，并且
是在罩的表面上测得的入射辐射通量。对于平均恒定的低通量和高通量为
和792Wm-2，以及取自S7.3节的αMOF,灯和τ罩,灯的值，确定了单位质量MOF-801/G所接收的总辐射通量，并列在表6中。
表6.用于使用低通量和高通量的实验室实验的不同吸附剂接收的总通量
来自吸附剂表面的辐射热损失可以通过下式确定：
其中σ＝5.670×10-8/Wm-3K4是Stefan-Boltzmann常数，εm是吸附剂的半球形发射率。
随着温度和发射率的变化示于图72中。可以观察到，对于从MOF释放水所需的温度范围(T释放<80℃)，与接收的通量(约250-500Wm-2)相比，辐射引起的热损失可忽略不计(<4Wm-2)，即使MOF被认为是黑体发射器(ε＝1)。在计算入射通量时，考虑了辐射热损失的最大值4Wm-2。
由于对流，从MOF表面到罩的热损失由下式确定：
其中，
是MOF表面的整个长度上的平均对流热传递系数，以及T罩是罩的表面温度。瑞利数使用以下方程计算，
其中，β、αT和μ分别是空气的体积热膨胀系数、热扩散率和动态粘度，并且是g是重力加速度。为了确定β、αT和μ的值，空气被认为是理想气体，并使用以下关系和相关性，
其中在Tref＝293.15K时μref＝1.8205×10-5kgm-1s-1，以及
k[Wm-1K-1]＝10-4×[1.52×10-7T3-4.86×10-4T2+1.02T-3.93] (S29)
和
通过对低通量辐射下的MOF的温度和罩的内表面进行时间测量估计瑞利数。Ra的温度曲线和瞬时值在图73中示出。
对于δ/L＞12(在当前设计中δ/L＝14.2)，以下相关性(28)用于确定努塞尔数(Nu)，
其中，临界瑞利数(Rac＝1708)确定浮力是否可以克服由粘性力施加的阻力。用已知的
使用下式发现
作为时间的函数：
对于低通量的情况，MOF-801/G吸收的总能量为：
来自吸附剂表面的辐射热损失由以下确定：
通过对测量数据进行数值积分，发现整个释放循环期间每单位面积的总热损失，并使用MATLAB R2017a计算
因此，来自MOF表面的总辐射热损失和总对流热损失分别小于1.5％和0.05％。这将导致总热损失小于1.6％。
绘制了释放水所需的总能量(qH)与对于0.155m2暴露表面的、有和没有热损失的MOF-801/G量的比较(图74)。
此外，还绘制了加热MOF并释放捕获的水所需的总能量(q潜在+q明显)，并将其与q潜在进行比较。结果表明，在该水收集器中可使用最多2.5kg MOF-801/G。低于此质量，入射辐射能足以从MOF中完全释放捕获的水。应当注意的是，通过考虑从MOF到周围环境的能量损失并忽略明显能量，可以获得相同的结果。这消除了计算中的复杂性，并允许定义一个简单的标准，
qH≥q潜在 (S36)
或
S9.5节.水冷凝的设计考虑
在本部分中，讨论了估计从MOF释放的水的冷凝所需能量的理论方法。
其中，T水蒸气、T空气和T结露分别是水蒸气温度、干燥空气温度和结露温度。cp,水蒸气和cp,空气分别是水蒸气热容量和空气的热容量。考虑到热损失可以忽略不计、水蒸气和干燥空气之间的热平衡(T空气＝T水蒸气)、最大可能的水释放以及随后释放的水的冷凝(ω释放＝ω捕获)，然后：
在冷凝过程仅依赖于自然冷却的情况下，冷却能量可以按照以下估算：
其中，
是任何给定时间冷凝器内的平均对流热传递系数。考虑到m空气/mMOFcp,空气<<ω捕获cp,水，可获得以下关系：
这里，为了确保足够大的冷凝器表面，通过使用文献(29)中的相关性，在整个冷凝期间，通过使用Nu＝3.36，在垂直通道上的膜冷凝(而不是具有较高热传递速率的滴状冷凝)的情况下，假设最小值
应该注意的是，通过先进的数值模拟或实验测量可以在相同的几何约束和边界条件下进行精确计算
其可以更好地估算所需的冷却能量和冷凝器设计。在这里，我们认为水的释放发生在65℃且冷凝器温度与露点相同(TC＝T空气)。对于不同的冷凝器温度和两个努塞尔数(Nu＝3.36和Nu＝1.18)，计算了冷凝所需的总面积与MOF量的关系，其被绘制在图75中。在目前的设计中，总面积为3100cm2，允许足够大的壳体以封闭水吸附单元，并提供足够大的表面用于冷凝从最多2.5kg MOF-801/G中释放出的水。通过忽略明显冷却，观察到冷却面积的变化小于1％。这意味着，用于冷凝释放的水所需的最小冷却能量可以通过忽略明显冷却确定，如下所示:
qc,最小≥mMOFω捕获hfg (S42)
尽管增加冷却表面的尺寸为冷凝提供了更多的冷却能量，但是冷凝器的体积存在理论极限。冷凝器附近的湿度比(w以kg(水)kg(干燥空气) -1为单位)可以根据下式与相对湿度相关：
考虑到冷凝需要RH为100％，则：
具有来自方程S39的已知的Ac和mMOF的比率，冷凝器的最大长度(Lc,最大)可以表示如下：
考虑MOF的最小量为0.4kg，ω捕获＝0.14，Ac＝3100cm2，Tc＝30℃，则Lc,最大＝3.16m。在当前设计中，当ω释放＝0.08ω捕获时，Lc＝25.4cm使冷凝器完全饱和。
S10节.沙漠条件下在亚利桑那州斯科茨代尔的收集实验
在正文中描述了在十月下旬在美国亚利桑那州的斯科茨代尔进行的收集实验的装置的描述。图76-77示出了分别使用1.65和0.825kg MOF-801/G进行两次运行的温度和相对湿度曲线。图78描述了在这些实验中使用的外部绝缘体。
S11节.收集的水样的化学分析和MOF化学稳定性
将活化的微晶粉末MOF-801置于具有D2O的NMR管中。在将NMR管在85℃下加热两个小时之前以及在加热之后，记录1H-NMR光谱。相对于来自氘化溶剂的适当残留溶剂信号，化学位移以百万分之一(ppm)为单位报告。1H NMR:D2Oδ:4.79ppm，DMSO-d6δ:2.50ppm。发现样品中存在痕量N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基胺和甲酸，可能是由于非理想的活化程序所致。在氘化的水中加热MOF粉末后，这些化合物的痕量保持不变。没有发现痕量富马酸从MOF中浸出，证实了其水解稳定性。
从在低通量下使用0.825kg的MOF-801/G收集的37ml批次水中取出4ml水，并放入4ml瓶中。在100℃下将水蒸发过夜。用0.6ml DMSO-d6冲洗瓶，并记录1H-NMR光谱。未发现可溶于DMSO的有机杂质。
将活化的微晶MOF-303粉末置于具有D2O的NMR管中。在将NMR管在85℃下加热两个小时之前以及在加热之后，记录1H-NMR光谱。相对于来自氘化溶剂的适当残留溶剂信号，化学位移以百万分之一(ppm)为单位报告。1H NMR:D2Oδ:4.79ppm，DMSO-d6δ:2.50ppm。发现痕量甲醇存在于样品中，可能是由于非理想的活化程序所致。在氘化的水中加热MOF粉末后，上述化合物的痕量保持。没有发现痕量3,5-吡唑二羧酸从MOF中浸出，证实了其水解稳定性。
从在高通量下使用0.600kg MOF-303/G收集的105ml批次水中取出4ml水，并放入4ml瓶中。在100℃下将水蒸发过夜。用0.6ml DMSO-d6冲洗瓶，并记录1H-NMR光谱。未发现可溶于DMSO的有机杂质。
从在高通量下使用1.65g MOF-801/G收集的65ml批次水中取出20ml水，并放入45ml离心管中。将样品以12000rpm离心30分钟。收集上清液并将其置于20ml闪烁瓶中，并将水在100℃下蒸发过夜。用10ml 2％体积/体积硝酸水溶液冲洗瓶，并用ICP分析。接下来，将标准锆溶液的浓度用于信号对浓度的校准曲线：0，0.005，0.05，0.5，5ppm。发现分析样品中的锆含量为0.009ppm，表明MOF-801样品在水收集期间不会分解。
从在高通量下使用0.600kg MOF-303/G收集的105ml批次水中取出20ml水，并放入45ml离心管中。将样品以12000rpm离心30分钟。收集上清液并将其置于20ml闪烁瓶中，并将水在100℃下蒸发过夜。用10ml 2％体积/体积硝酸水溶液冲洗瓶，并用ICP分析。接下来，标准铝溶液浓度用于信号与浓度的校准曲线：0，0.005，0.05，0.5，5ppm。发现分析样品中的铝含量为0.005ppm，表明MOF-303样品在水收集期间不会分解。
Claims (38)
1.一种大气水分收集器系统，其包括：
水分吸附单元，其包括：
包含绝缘材料的绝缘隔室，以及
位于水分吸附单元的顶部、绝缘隔室上方的托盘，
其中，所述托盘含有水捕获材料，
其中，所述水捕获材料在吸附阶段期间从周围空气中吸附水分，并在解吸阶段期间解吸水蒸气，以及
其中，与水捕获材料接触的托盘的底部表面被太阳能吸收材料覆盖或由太阳能吸收材料制成，以及
其中，水分吸附单元的侧表面被太阳能反射材料覆盖或由太阳能反射材料制成；以及
具有盖的水分收集箱，
其中，所述水分吸附单元位于水分收集箱内部，并且其中在水分吸附单元和水分收集箱之间存在空间，
其中，所述水分收集箱是透明的，
其中，当打开时，所述盖将水捕获材料暴露于冷湿的周围空气中，以在吸附阶段期间吸附水分，和当关闭时，所述盖在解吸阶段期间使用太阳辐射加热水捕获材料以释放水蒸气，以及
其中，所述水分收集箱具有一个或多个侧壁，所述侧壁被配置成在冷凝阶段期间将至少一部分释放的水蒸气冷凝成液态水。
2.权利要求1所述的系统，其中，所述系统被埋在地下，并且
其中，所述水分收集箱的一个或多个侧壁与地下的土壤接触，并提供用于与土壤热传递的表面。
3.一种大气水分收集器系统，其包括：
水分吸附单元，其包括：
包含绝缘材料的绝缘隔室，以及
位于水分吸附单元的顶部、绝缘隔室上方的托盘，
其中，所述托盘含有水捕获材料，其中所述水捕获材料在吸附阶段期间从周围空气中吸附水分，并在解吸阶段期间解吸水蒸气，
其中，与水捕获材料接触的托盘的底部表面被太阳能吸收材料覆盖或由太阳能吸收材料制成，
以及
其中，水分吸附单元的侧表面被太阳能反射材料覆盖或由太阳能反射材料制成；
具有盖的水分收集箱，
其中，所述水分吸附单元位于水分收集箱内部，并且其中在水分吸附单元和水分收集箱之间存在空间，
其中，所述水分收集箱是透明的，
其中，当打开时，所述盖将水捕获材料暴露于冷湿的周围空气中，以在吸附阶段期间吸附水分，和当关闭时，所述盖在解吸阶段期间使用太阳辐射加热水捕获材料以释放水蒸气，以及
其中，水分收集箱被配置成在解吸时保存释放的水蒸气；和位于水分收集箱的底部、与水分吸附单元隔开的冷凝器，
其中，所述冷凝器被配置成在冷凝阶段期间将至少一部分释放的水蒸气冷凝成液态水。
4.权利要求3所述的系统，其中，所述系统被放置在倾斜面上以最大化暴露于直射阳光。
5.权利要求1至4中任一项所述的系统，其还包括被配置成收集液态水的水收集单元。
6.权利要求1至5中任一项所述的系统，其还包括连接到所述水分收集箱的盖的反射器，所述反射器被配置成仅将所述水分吸附单元的托盘中的水捕获材料暴露于太阳辐射。
7.权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述绝缘隔室被所述绝缘材料密实地填充。
8.权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述绝缘材料具有低热导率。
9.权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述绝缘材料包括玻璃纤维或聚苯乙烯泡沫或其组合。
10.权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述太阳能吸收材料是黑色涂层，并且所述太阳能反射材料是白色涂层。
11.权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述水分收集箱具有一个或多个具有高热容量的侧壁。
12.权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述水分收集箱具有一个或多个具有低热导率的侧壁。
13.权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述水分收集箱具有由玻璃纤维、聚苯乙烯泡沫、气凝胶、土壤、软木、岩石、矿渣或混凝土或其任意组合制成的一个或多个侧壁。
14.权利要求1至13中任一项所述的系统，其中，所述水捕获材料包含至少一种金属-有机骨架。
15.权利要求1至14中任一项所述的系统，其还包括至少一个被配置成向所述系统提供能量的太阳能电池板。
16.权利要求1至15中任一项所述的系统，其还包括至少一个被配置成冷却所述水分收集箱的底部并加速冷凝的风扇。
17.权利要求1至14中任一项所述的系统，其中，所述大气水分收集器系统是完全无源系统。
18.一种使用权利要求1至17中任一项的大气水分收集器系统从周围空气中收集水的方法，所述方法包括：
在夜间期间打开水分收集箱的盖，从而使水捕获材料从周围空气中吸附水分；和
在接下来的白天期间关闭水分收集箱的盖，从而使用太阳辐射加热水捕获材料，从加热的水捕获材料释放水蒸气，并将释放的水蒸气冷凝在水分收集箱的一个或多个侧壁上，或者使用冷凝器，以产生液态水。
19.一种使用大气水分收集器系统从周围空气中收集水的方法，所述方法包括：
在夜间期间通过吸附用来自冷湿的周围空气的水分使水捕获材料饱和，
其中，所述水捕获材料被包含在位于水分吸附单元的顶部、在水分吸附单元中的绝缘隔室上方的托盘中，和
其中，所述水分吸附单元被放置在带有盖的水分收集箱内部，其中，所述盖在夜间期间被打开；
在接下来的白天期间使用太阳辐射加热水捕获材料，并从水捕获材料释放水蒸气，其中，水分收集箱的盖在白天期间关闭；以及
将释放的水蒸气冷凝在水分收集箱的一个或多个侧壁上，或者使用冷凝器，以产生液态水。
20.权利要求18或19所述的方法，其还包括收集液态水。
21.权利要求18至20中任一项所述的方法，其中，所述水捕获材料包含至少一种金属-有机骨架。
22.权利要求18至21中任一项所述的方法，其中，所述大气水分收集器系统位于地面中，并且其中所释放的水蒸气冷凝在水分收集箱的一个或多个侧壁上以产生液态水将热释放到地面。
23.权利要求18至22中任一项所述的方法，其中，使用冷凝器冷凝所述释放的水蒸气。
24.权利要求23所述的方法，其还包括使用至少一个风扇冷却所述释放的水蒸气以加速冷凝。
25.权利要求18至22中任一项所述的方法，其中，所述大气水分收集器系统是完全无源系统。
26.一种大气水分收集器系统，其从空气中捕获水分、释放水分和冷凝水分，并收集液态水，所述系统包括：
具有活性化合物的水分吸附单元，其可操作以仅使用太阳能捕获和释放大气水分；
具有气流通道的水分收集箱，所述气流通道被配置成引导水分吸附单元和冷凝器之间的气流循环；
冷凝器，其可操作以在没有任何能量输入的情况下仅使用环境冷却由水分产生液态水；和
水收集系统，其可操作以从冷凝器中收集液态水。
27.一种水分吸附单元，其包括活性化合物盘，所述活性化合物盘被配置成执行1、2、3、4或5个功能：
保持活性化合物；
增强从太阳通量暴露到活性化合物的热传递；
增加用于水分捕获和释放的活性化合物的接触表面；
为活性化合物提供用于质量和热传递的空间；和
为各种不同活性化合物填料提供限制。
28.一种水分吸附单元，其包括一个或多个支撑壁，所述支撑壁被配置为：
为所述活性化合物盘提供结构支撑；和/或
防止热绝缘隔室暴露于太阳红外线。
29.一种水分吸附单元，其包括热绝缘隔室，该热绝缘隔室被配置成执行1、2、3或4个功能：
增强活性化合物盘和支撑壁的结构稳定性；
使活性化合物盘与支撑壁绝缘；
防止水分吸附单元内的自然对流空气循环并消除对流热传递；和
防止从活性化合物盘到支撑壁、底部壁和冷凝器的传导热传递。
30.一种水分吸附单元，其包括底部支撑板，该底部支撑板被配置成为所述热绝缘隔室和支撑壁提供刚性基座；和/或与支撑壁和活性化合物盘组合，消除水分传递至热绝缘体。
31.一种大气水分收集器系统，其包括间隔件，该间隔件被配置成执行1、2、3或4个功能：
在空间上将水分吸附单元与冷凝器隔开；
使水分吸附单元与冷凝器热绝缘；
在水分收集箱内对齐并固定水分吸附单元的位置；和
调整水分吸附单元和冷凝器之间的间距。
32.一种水分收集箱，其包括一个或多个侧壁，所述侧壁被配置成执行1、2、3或4个功能：
为所述水分收集箱提供结构支撑；
防止水分吸附单元和冷凝器暴露于太阳红外线；
与水分吸附单元组合，产生用于预冷和空气循环的气流通道；和
支撑侧面绝缘体的安装。
33.一种水分收集箱，其包括一个或多个预冷器气流通道，所述预冷器气流通道被配置成执行1、2或3个功能：
通过向周围环境排出热而冷却从活性化合物盘流向冷凝器的湿空气；
促进活性化合物盘和冷凝器之间的浮力流动；和
调节活性化合物盘和冷凝器之间的温度梯度。
34.一种水分收集箱，其包括底部板，所述底部板被配置成执行1、2、3、4或5个功能：
为侧壁提供刚性基座；
提供从周围环境和到周围环境的质量传递；
为冷凝器的安装提供支撑基座；
提供用于通过间隔件安装水分吸附单元的基座；和
提供支撑基座以将水分吸附单元安装到便携式支架框架上。
35.一种水分收集箱，其包括冷凝器，所述冷凝器被配置成执行1、2、3或4个功能：
冷凝由活性化合物释放的水分；
在空间上与水分吸附单元的所有部件隔开；
通过水分收集箱的除湿帮助从活性化合物中释放水分；和
通过水分收集箱内的扩散维持质量传递。
36.一种主题系统或单元或箱，其中所述活性化合物包括金属-氧化物骨架(MOF)，其中所述MOF金属选自锆、镍、铁、铜、锰和铝。
37.权利要求36所述的系统，其中，所述活性化合物包括铝基金属-有机骨架。
38.权利要求36所述的系统，其中，所述活性化合物包括MOF-303。
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