综述：大气水收集：技术、材料以及实现规模化与可持续应用的途径

《Energy Conversion and Management-X》：Atmospheric water harvesting: technologies, materials, and pathways toward scalable and sustainable deployment

　　阿米尔·赞吉 | 塞尤姆·尼古西
弗林德斯大学科学与工程学院，澳大利亚阿德莱德

**摘要**
由于气候变化、环境污染和人口快速增长，淡水资源日益稀缺，这对人类生活构成了严重威胁。为了解决这些全球性问题，人们开展了大量关于从大气中收集水分的技术研究。因此，大气水收集系统作为一种有前景的解决方案应运而生，它通过直接从大气中提取水蒸气来补充淡水。然而，从大气中提取淡水面临大规模应用、成本效益以及水质等方面的挑战。本文回顾了2000年至2026年间发表在Web of Science、Scopus、ScienceDirect和IEEE Xplore等数据库中的相关论文，重点分析了大气水收集技术的最新进展，包括材料创新、能源消耗、性能指标、技术经济考量、水质以及实际应用潜力，涵盖了基于吸附剂、辐射冷却、冷凝和混合系统的各种技术。研究指出，在低湿度条件下，先进金属-有机框架和复合盐-聚合物吸附剂等吸湿材料已实现高达5.5公斤/平方米/天的产水量；而在高湿度条件下，这一数值可提升至16.9公斤/平方米/天。结合被动冷却和吸附技术的混合系统能够将能源消耗降至0.2千瓦时/升。未来的研究应着重于系统集成、生命周期分析以及在干旱气候条件下的优化，以实现可持续性和分散式饮用水提取。本文全面总结了大气水收集技术的进步，并为下一代水收集技术的发展奠定了基础。

**引言**
水资源短缺是全球最紧迫的挑战之一。世界资源研究所发布的《Aqueduct Water Risk Atlas》报告强调了全球水资源紧张的严峻问题：每年有四分之一的全球人口面临极端严重的水资源压力，几乎耗尽了所有可利用的水资源。此外，约40亿人（占全球人口的50%）每年至少有一个月处于高水资源压力状态，这危及生命、就业、粮食和能源安全[1]。由于气候变化、基流减少和可持续地下水抽取问题，预计到2040年这一比例将显著增加[2],[3]。地表水质量的逐渐恶化（如盐度入侵、工业排放和营养负荷）加剧了这一问题。因此，即使某些地区水资源丰富，也可能出现功能性短缺。在撒哈拉以南非洲和南亚等地区，长期干旱、人均水资源不足和人口快速增长导致水资源安全指标长期处于较低水平[4],[5]。

传统城市供水系统（如大型储水设施、跨流域调水、海水淡化和废水再利用）已被用于缓解这些挑战。其中，反渗透海水淡化技术应用最为广泛，尤其是在海湾国家和北非地区。但其高压力运行和每升水0.003至0.004千瓦时的高能耗限制了其应用范围（尤其是在优化设计的系统中）。该技术的应用受限于盐水处理、进水系统和腐蚀问题，使其主要适用于沿海地区[6],[7],[8]。先进的废水处理和再利用也需要高能耗的处理步骤，并常面临社会接受度问题。

**大气水收集技术**
近年来，大气水收集作为一种潜在的水源受到关注，其中含有约12,900立方公里的水蒸气，相当于总淡水量的0.04%[6],[9]。该技术通过蒸发和大气循环等方式连续提取水体。由于大气水分覆盖不同气候带（从沿海雾区到湿润地区），这一资源理论上可广泛获取，不受地表水文条件影响[10]。

**表1. 全球水资源分布**

| 水源 | 水体积（立方公里） | 淡水量占比（%） |
|------------|-------------|--------------|
| 海洋、海湾 | 1,338,000,000 | |
| 冰盖、冰川与永久雪层 | 24,064,000 | 68.7 |
| 地下水 | 23,400,000 | |
| 淡水 | 10,530,000 | 30.1 |
| 咸水 | 12,870,000 | |
| 土壤水分 | 16,500 | 0.05 |
| 地下冰与永久冻土 | 300,000 | 0.86 |
| 湖泊 | 176,400 | 0.26 |
| 咸水湖 | 85,400 | 0.26 |
| 大气 | 12,900 | 0.04 |
| 沼泽水 | 11,470 | 0.03 |
| 河流 | 2,120 | 0.006 |
| 生物水体 | 1,120 | 0.003 |

然而，大气水收集的主要技术瓶颈在于驱动冷凝或吸附/解吸过程所需的能量，尤其是在相对湿度低于40%时。在低湿度条件下，潜热负荷使得系统能耗超过海水淡化过程[11],[12]。当前，金属-有机框架[13]、水凝胶[14]、复合气凝胶[15]、MXene-LiCl复合材料以及仿生微结构表面等吸附剂化学方面的改进提高了水分吸收速率、循环耐用性和运行相对湿度阈值。例如，基于海藻酸的水凝胶和MXene-LiCl复合材料在低湿度条件下表现出超强吸湿性[16]。此外，结合吸附床与太阳能热再生、辐射冷却或双级收集系统的集成技术提升了热利用效率，朝向连续运行方向发展[17],[18],[19]。但实验室规模设备向实际应用系统的转化仍面临诸多挑战。

本文通过评估不同气候条件下的雾收集、辐射冷却、冷凝和吸附技术，比较了不同材料（从硅胶和沸石到金属-有机框架、水凝胶乃至新型纳米复合材料）的性能参数（包括特定能耗、性能系数、工作能力、系统耦合等），并探讨了其通过能量强度、碳足迹、经济可行性、输出变异性和可扩展性等方面的应用潜力。同时，根据世界卫生组织的指导原则，分析了水质和安全问题，提出了针对特定气候条件的处理策略及未来研究方向。

**结论**
本文为评估大气水收集技术提供了全面的技术基础，并指出了实现高性能和大规模应用所需的关键研究方向（见图1、图2）。

**下载**：
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图 4. 大气水收集技术的 COP 总结。

再生温度
将再生温度提高到 120°C 以上可以显著提高系统性能，尽管在努力最大化干燥剂效果时这一潜力尚未得到充分探索。在较低的再生温度（低于 50-60°C）下，低等级能源就足够了。但是，具有较高吸水能力的干燥剂需要 90-200°C 的温度范围，从而导致能耗增加 [46]（表 3）。一般来说，过低的温度不足以完全脱附水分，而过高的温度会由于难以去除强结合的水分而降低干燥剂的效率。

表 3. 不同吸附材料的再生温度。

参考资料
再生温度（°C） 适用范围
[47] MOF-303 75–85°C 太阳能热能或废热驱动的 AWH
[48] MOF-80 190°C 太阳能热能或废热驱动的 AWH
[49] 硅胶 60–90°C 太阳能热能或废热驱动的 AWH
[50] 沸石 250–300°C [46], [51]
干燥剂轮 126°C 工业除湿系统
[52] 负载干燥剂 95–110°C 工业除湿系统
[53] LiCl 80°C 太阳能热能或废热驱动的 AWH
[54] LiCl 78.8°C 太阳能热能或废热驱动的 AWH

如表 3 和图 5 所示，再生温度是影响基于吸附剂的 AWH 系统能源需求和实施的关键参数。MOF-303、MOF-801、硅胶和 LiCl 等材料在相对较低的再生温度下运行，这使它们非常适合与太阳能热能技术和低等级能源配合使用的 AWH 系统。这些材料是成熟且经济可行的技术，而金属有机框架因其可调性和吸水能力而受到关注，尽管其实施可能会遇到经济障碍。另一方面，沸石需要在更高的再生温度（250-300°C）下运行，与基于太阳能的 AWH 系统不兼容。干燥剂轮和负载干燥剂广泛用于工业除湿系统，但由于其中等到高的再生温度，它们与被动 AWH 系统不兼容。再生温度低于 100°C 的材料非常适合可持续和可再生能源驱动的 AWH 系统，而再生温度高于 100°C 的材料在与太阳能技术结合使用时可能需要更高的成本。

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图 5. 不同材料的再生温度总结。

气候依赖性
大气水收集系统的性能受气候条件的影响很大，可以根据不同区域的具体气候条件（如雾、冷凝和吸附）优化每个系统（图 6）。例如，低水分收集率的系统在干燥环境中表现更好。然而，使用高容量冷凝器的系统在更潮湿或热带环境中表现良好。这种对气候条件的依赖也表明，AWH 并不是在每个缺水地点都适用的解决方案。通过使用相对湿度、空气温度和其他 psychrometric 分析变量等参数，可以实现 AWH 系统的适用性。

图 7.
图 8.

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图 6. 不同区域对 AWH 的气候依赖性。

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图 7. 大气水收集机制的分类。

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图 8. 雾水收集机制的分类。

由于气候参数会影响质量传递潜力和热力学效率，接下来的部分将评估不同大气水收集技术是如何设计来适应这些环境约束的。

大气水收集技术
雾水收集
雾水收集是一种有益的水源，但其受到雾水可用性的限制。雾水收集器由一个小网格组成，用于捕获大气中的水滴，重力使水滴落到地面 [55]、[56]。结构改进，如圆柱形和 3D 网格，比传统的 2D 网格具有更高的捕获效率，而模仿仙人掌刺或 Licuala 叶子的仿生设计改善了水滴捕获和排水性能 [57]。除了其他机械设计外，最近的改进还集中在表面工程和静电促进上。由 Si-Cu 复合材料制成的表面涂层提高了水滴的粘附和融合率，而折叠或微工程表面促进了连续排水并抑制了再蒸发 [58]。此外，对于大于 5 微米的水滴，已报告的效率超过了 90% [59]。此外，基于电晕和等离子体的设计提供了高水分收集和低能耗，表明电力量和微纳工程表面的潜在混合应用。

基于静电雾水收集机制，一种高效的电晕放电型收集器采用了多网格电极来收集水滴 [60]。通过结合等离子体和微纳结构材料，进一步增强了效率，实现了 93% 的收集效率和低能耗，从而强调了其可行性和潜在应用 [61]。但是，基于自然变化的雾水收集技术仍存在一些可扩展性问题，如雾水出现频率低以及大网格或静电元件的维护成本高。然而，结合高效材料、几何适应性和可持续能源资源可以成为一种实用的方法，以实现可扩展和可持续的雾水收集技术，作为水资源有限的地区的分散式水源。

露水和辐射冷却
露水收集在相对湿度高于 40% 时效果最佳，而雾水收集受益于过饱和条件 [11]。高红外发射率与润湿梯度或超亲水斑块的结合使得比传统平板或网格具有更早的冷凝开始和更高的收集率 [62]。辐射冷却作为一种变革性改进，使表面能够通过大气红外窗口（8-13 微米）辐射热量同时反射太阳辐射（图 9）[63]。光子涂层和生物衍生织物在阳光下也能使温度降低 5-10°C。研究表明，基于纤维素的织物在 80% 相对湿度下可以降低 7.5°C 并每千克材料吸收 1.29 千克的水 [64]。

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图 9. 辐射冷却的光谱选择性。

图 10 表示了大气水收集用辐射冷却材料的光谱选择性。在 8-13 微米窗口内的高发射率允许通过红外大气窗口进行高效的热辐射，而在该范围外的低发射率则减少了热吸收。吸湿盐、水凝胶或 MOFs 在较低湿度下的吸水性能是可能的，但需要能量进行脱附 [65]。将这些吸附材料与辐射冷却或太阳能再生结合使用显示出有希望的生产力。这些吸附材料与辐射冷却的结合效应减少了脱附能量需求，使系统更加环保，可以从大气中收集水分。

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图 10. 使用辐射冷却的细胞纤维素实现高效的大气水吸附和提取 [64]。

白天光子辐射器
白天光子辐射器在大气水收集领域带来了革命，即使在直射阳光下也能实现低于环境温度的冷却。高太阳反射率与在大气红外窗口（8-13 微米波长范围）内的高热发射率相结合，使这些物质能够向外部辐射热量，同时阻挡太阳光线，从而在白天实现净辐射热损失（图 9）。这种能力将被动水收集技术扩展到了夜间之外，为混合 AWH 系统打开了新的机会 [64]。这些辐射器的设计精确地抑制了太阳光谱（0.3-2.5 微米）内的吸收，同时最大限度地提高了红外窗口内的发射率 [66]。

润湿性图案化和超疏水表面
具有对比润湿性的表面，整合了亲水性和疏水性区域，利用毛细力和表面能量差异来控制水滴的运动。双亲水表面聚集并引导水滴到指定的收集区域，从而提高了从雾水和露水中收集水分的效率 [67]。基于此，后续研究调查了具有微纳级拓扑结构的超疏水表面，显示出通过快速去除水滴和减少热限制来提高收集效率 [68]。此外，对具有不同孔径的 Janus 网格的分析表明，未阻挡超亲水区域的整体收集效率得到提升 [69]。

根据表 4，在 25°C 和 90% 相对湿度下，极亲水表面（亲水性）的最大收集率为 144 升/平方米/天。这是因为如果表面非常亲水，水滴的扩散速度很高，同时形成薄膜状冷凝以连续排水。然而，超疏水表面在 33°C 和 80% 相对湿度下的收集率为 140 升/平方米/天。这是因为超疏水性有助于水滴的快速移动和快速掉落。同时，较低的成核位点密度限制了冷凝质量的形成。因此，其收集率虽然与超亲水表面相当，但较低。超亲水表面在 20°C 和 80% 相对湿度下的收集率为 91.2-312 升/平方米/天。这是因为超亲水表面具有极高的表面能量。疏水表面在 25°C 和 92% 相对湿度下的收集率为 72 升/平方米/天。

表 4. 不同吸附材料的润湿性图案化和超疏水表面。

参考资料
润湿性 温度（°C） 相对湿度（%） 水收集率（升/平方米/天）
测试类型 [67] 亲水性 25 90 144 实验室 [58]
超疏水性 33 80 140 实验室 [69]
超亲水性 20 80 91.2/3 实验室 [70]
疏水性 25 92 72 实验室

蒸汽压缩制冷
基于冷凝的大气水发生器通过使用蒸汽压缩制冷循环将环境空气冷却到露点以下来提取水分（图 11）[71]，它可以在各种气候条件下运行，包括干旱、城市和热带地区，平均收集率分别为 22.9、55.3 和 80.7 千克/天 [72]。在干旱地区的长期评估显示，即使在恶劣的沙漠条件下，也能稳定生产 15-30 升/天的水，具体能耗为 0.5-1.2 千瓦时/升 [38]。同样，基于 VCR 的大气水发生器的收集率为 0.23-1.45 千克/小时，单位性能系数范围为 1.0 至 4.65 千瓦时/千克 [73]。然而，实际部署受到高能耗和相关运行成本的限制。

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图 11. 蒸汽压缩制冷循环示意图 [56]。

热电冷却
热电冷却器利用佩尔帖效应在一侧冷却同时在另一侧散热，无需移动部件，从而提供紧凑且节能的温度控制（图 12）。半导体材料的温度范围为 0°C 至 90°C，非常适合需要低于环境温度以达到露点的大气水收集 [74]。将 TEC（热电冷却器）与太阳能板和电池结合使用，可以为偏远地区生产完全离网的淡水。John 等人 [29] 展示了一个系统，能够在 30°C 和 80% 相对湿度下 12 小时内生产 2 升水，使用散热器来增强冷凝和热管理。Pontious 等人 [75] 进一步测试了基于 TEC 的大气水发生器，在 25°C 和 70% 相对湿度下的实验室条件下可以生产 0.5-1.0 升/天，突出了能效和冷凝表面优化的重要性。He 等人 [76] 和 Liu 等人 [77] 后来探索了便携式系统，在典型室内条件下显示了 0.3-0.8 升/天的产水量，这使得 TEC 向可扩展、紧凑和实用的解决方案迈进。

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表 5 总结了不同大气水收集机制在不同气候条件下的性能特征。蒸汽压缩制冷系统通常在 25-38°C 的温度范围和 15-70% 的相对湿度下运行，水产量范围为 5.52 至 80.7 升/天。VCRS（真空冷却凝结系统）的相应特定能耗在0.26至4.65千瓦时/升（kWh/L）之间变化较大，这反映了操作条件、系统设计以及环境湿度的差异，而性能系数（COP）的范围则在1到4.65之间。热电冷却系统在25-30°C的温度下运行，但通常处于70-80%的较高湿度环境中，其产水量仅为0.5-2升/天，特定能耗（SEC）值较高，为0.97-2.3千瓦时/升，相应的COP较低，介于0.3-0.8之间。这些数据共同表明，在中等温度和较高湿度条件下，VCRS系统通常更高效，且能够产生更多的水；而基于热电技术的系统则在水产量和能源效率方面受到限制。

表5. 根据气候条件比较VCRS和基于热电技术的系统的水分吸收能力和特定能耗。

| 参考文献 | 系统类型 | 温度（°C） | 相对湿度（%） | 水分吸收量（L/天） | SEC（kWh/L） | COP |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| [72] | VCRS | 25–35 | 20–70 | 22.9–80 | 0.7 | 0.26–1.5 |
| [38] | VCRS | 32–38 | 15–25 | 0.5–1.2 | 1–1.5 |
| [73] | VCRS | 25–35 | 20–30 | 5.5 | 2–3 | 4.8 | 1–4.65 |
| [29] | TEC | 30 | 80 | 21–2.3 | 0.3–0.8 | |
| [75] | TEC | 25 | 70 | 0.5–10 | 0.97–2.2 | |

**传统吸附剂**
传统吸附剂由于成本低、市场可获得性强且性能稳定而仍然很重要，但近期研究主要集中在克服三个常见问题：(a) 在低相对湿度下的低有效吸收量，(b) 吸附/解吸动力学缓慢，以及(c) 在循环过程中盐分的流失（对于吸湿性盐）。硅胶由于其高表面积、热稳定性和易于使用性，长期被用作空气水收集（AWH）的干燥剂。最新研究表明：(i) 硅胶在低相对湿度下的解吸能力较低，需要更高的相对湿度才能达到高解吸能力；(ii) 可以将硅胶集成到结构化干燥剂中以提升热和质量传递效率；(iii) 可以与光敏或吸湿性物质结合以提高实际解吸效率。综述和比较研究仍认为硅胶具有耐用性和可循环性，但在极端干燥（非常低的相对湿度）环境中，如果没有与其他材料结合使用，则吸引力较低。

**沸石**
沸石具有快速的动力学响应和良好的热稳定性。低硅沸石也能从中等相对湿度水平吸附水分。最新研究和实验结果表明：(a) 沸石的等温线特性和循环加热需求已被研究；(b) 在设备模拟中，沸石与先进的MOFs（金属有机框架）和盐基复合材料进行了比较；(c) 沸石在中等相对湿度和较高再生温度下的快速循环应用显示出了潜力。然而，在极低相对湿度下，它们的单位质量有效吸收量通常低于顶级的MOFs或工程化的盐基复合材料，这限制了它们在极端干燥气候中的独立应用。

**先进吸附剂**
使用绿色合成法和溶剂热合成法制备的MOF-801的性能比较显示，绿色合成材料由于具有更大的比表面积和更小的晶粒尺寸，因此吸附性能更好。通过改进MOF-303的结构，提高了其在大气水收集系统中的性能。此外，通过在其现有结构中引入乙烯基取代基，合成了一种新型结构MOF-LA2-1，在低相对湿度条件下其体积和水吸收容量都有所提升。Solovyeva等人的研究表明，MIL-160在特定条件下每循环可吸收0.31-0.33克水，表明其在高效空气水收集中的潜力。同时，将水凝胶与吸湿性盐结合使用可提升其性能，MXenes与水凝胶的组合也能增强水分吸收和保持能力。

**表6. 不同吸附剂的性能比较（基于不同评估标准）**
| 吸附剂类型 | 典型水分吸收量（gH2O/g） | 再生温度（°C） | 循环稳定性 | 预计生产成本 | 测试类型 | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| MIL-160 | 0.31–0.33 | 80 | —— | 高，经过多次循环稳定 | 中等到高 | [95] |
| MOF-801 | 0.25–2.85 | 0–70 | 高，经过多次循环稳定 | 中等到高 | [96] |
| MXenes | 1.69 | 40–80 | 能够在复合材料中完成超过100次循环 | 中等 | [16] |
| CaCl2, LiCl | 2.1–2.68 | <80 | 能够完成100次循环 | 低到中等 | [97], [98] |
| 沸石（13X） | 0.14–0.27 | 80–120 | 在重复循环中稳定性高 | 中等 | [99] |

表6总结了用于大气水收集的各种吸附剂的性能，包括水分吸收量、再生条件、循环稳定性及预计生产成本。MIL-160在30%相对湿度下具有中等的水分吸收量（0.31-0.33克/克），需要较高的再生温度（80-100°C），并在多次吸附-解吸循环中保持高稳定性，但其生产成本中等偏高。MOF-801在50-70°C的较低再生温度下具有广泛的水分吸收范围（0.25-2.8克/克），同时具备较高的循环稳定性，但成本也相对较高。MXenes以高水分吸收量（1.69克/克）和较低的再生温度（40-80°C）脱颖而出，在复合材料中能够完成超过100次循环，且生产成本中等。传统盐类如CaCl2和LiCl在低于80°C的再生温度下具有最高的水分吸收量（2.1-2.685克/克），循环性能良好，成本也较低。沸石（13X）的水分吸收量较低（0.14-0.27克/克），需要较高的再生温度（80-120°C），但在重复循环中稳定性高，成本适中。

图13和表7展示了不同吸附剂在不同相对湿度下的水分吸收能力。在30%的相对湿度下，聚两性离子水凝胶的水分吸收量为0.62克/克，而水凝胶微球的水分吸收量为1.132克/克。水凝胶微球相比传统水凝胶具有更高的水分吸收能力，这归因于其较大的表面积和孔隙率。在金属有机框架（MOF-801）中，30%相对湿度下的水分吸收能力有限；相比之下，MOF-303在30%相对湿度下具有1.3克/克的水分吸收能力，这一增强效果归因于其亲水性。在盐浸渍吸附剂（如PCLG和SA-MXene@LiCl复合材料）中，40-45%相对湿度下的水分吸收量分别为2.55克/克和1.69克/克，PCLG的增强效果归因于盐的吸湿性。除了盐浸渍吸附剂外，辐射冷却也能通过降低表面温度来提升水分吸收能力。在LiCl-纤维素复合材料中，60%相对湿度下的水分吸收量为2.5克/克； cellulose织物在80%相对湿度下也有1.29克/克的吸收能力。BHA气凝胶材料在80%相对湿度下水分吸收量为3.18克/克；双网络水凝胶微球在90%相对湿度下水分吸收量为3.586克/克；基于海藻酸的盐/石墨烯复合材料的水分吸收量达到6.85克/克。总体而言，低湿度下的性能主要受表面化学性质和吸附焓控制，而高湿度下的性能则受盐辅助吸收、毛细凝结以及热优化复合材料设计的影响。

**离子液体**
离子液体是一种在常温下保持液态且无蒸汽压的盐类物质。它们对温度敏感，可以通过温差从空气中有效收集水分[108]。这些液体能够吸收太阳辐射，从而在空气水收集技术（AWH）中更高效地收集水分[109]。深度共晶溶剂由两种或多种混合而成的物质组成，其熔点低于单独成分的熔点，具有低毒性和可生物降解性，因此是环保的溶剂选择[110]。离子凝胶则是离子液体与聚合物成分的结合体，兼具两种材料的特性，能够高效吸收和释放水分[111]。

**设备架构**
单片结构设计用于将吸湿材料以连续多孔的形式集成，从而提高机械强度并提升水分吸收效率。分层结构的单片材料结合了金属有机框架材料，进一步增强了性能和可扩展性[112]。现有的混合MOF单片结构在低湿度条件下的收集效率也优于传统泡沫结构[113]。涂层泡沫结合了多孔泡沫结构和增强的吸湿材料，类似生物启发的聚 vinyl alcohol 基泡沫结构，模仿凤梨叶表面结构高效收集和释放水分[114]。吸湿互连多孔凝胶具有快速的吸附和解吸动力学、高可扩展性以及优异的粘附强度，从而提升了金属有机框架系统的性能[90]。

**现场试验与原型**
户外实验突出了热管理、优化的气-吸附剂接触以及可靠的系统集成对于确保系统稳定连续运行的重要性。例如，Zhong等人的研究展示了使用商用沸石（AQSOA Z01）的双阶段装置的户外实验结果，该系统实现了创纪录的高产水量（0.77升/平方米/天）[116]。图15和图17展示了相关设备原型和户外捕捉测试的成果。

**高Angela Gao等人[117]开发了一种完全基于生物原理的新空气水收集系统，在35%湿度条件下可实现每天5.50公斤的水收集量，在更高湿度下甚至超过理论释放速率。Hoogendoorn等人[118]研究了先进且低成本的吸附剂，尤其是基于聚丙烯酰胺的水凝胶材料，在30%和70%相对湿度下分别能吸收0.92克和2.38克水分。图18中的实验在伊朗北部的Behshahr进行，展示了利用地下水冷却、太阳能和矩形地下线圈生成饮用水的空气水生产系统[119]。实验参数包括线圈长度、线圈周长、入口质量流速和不同相对湿度水平，以评估系统性能。

**总结与比较分析**
表8根据操作湿度水平、水分生产能力、表面积和能源需求对主要空气水收集技术（AWHS）进行了对比。例如，雾收集在80%以上的相对湿度条件下适用，其水分吸收能力为3-15升/平方米，适用于多雾环境；而辐射露水收集的产水量较低，仅为0.3-0.6升/平方米。主动凝结系统展示了最高的水资源生产率，为10-100升/平方米/天。尽管这种性能是以中等能耗为代价的。基于吸附的系统能够在较低的湿度条件下运行，并且能耗较低。热电冷却系统产生的水资源产量较低，但能耗较高，这限制了它们的整体效率。表8显示了基于不同凝结技术的水资源捕获范围。

| 技术类型 | 相对湿度（%） | 每平方米每天捕获的水量（升） | SEC（千瓦时/升） |
|---------------|-----------|-----------------|-----------|
| 雾 | >80 | 0.1–15.6 | |
| 被动辐射凝露 | 80 | 0.3–0.6 | |
| 凝结表面面积 | 主要被动 | 80 | 10–100 |
| 有效冷凝器热传递面积 | 0.5–1.2 | |
| TEC | 80 | 0.2–2 |
| 冷侧散热器面积 | 1.5–2 | |

表9总结了用于大气水资源捕获的吸附材料，从操作湿度范围、水资源捕获能力、再生温度和循环稳定性等方面进行了分析，揭示了重要的性能权衡。硅胶在中等相对湿度（30-60%）下表现良好，水资源捕获量为0.25-0.35克水/克硅胶，但由于强烈的物理吸附作用，需要相对较高的再生温度（80-120°C），并且其刚性结构具有超过100次的循环稳定性。MOF-801和MOF-303能够在较低湿度（10-40%）下捕获水资源，其中MOF-303的捕获量（0.45-0.5克水/克材料）高于MOF-801（0.3-0.35克水/克材料），这归因于其亲水吸附位点的较高密度；这两种材料都能在较低温度（45-65°C）下再生，从而实现节能运行，尽管它们的循环稳定性仅为50-100次。沸石的水资源捕获量较低（0.2-0.28克水/克），需要非常高的再生温度（150-250°C），但其结构非常坚固，循环稳定性超过100次。氯化钙盐在20-80%的宽广湿度范围内具有最高的水资源捕获能力（1.0克水/克），这是由于它的吸湿性和潮解性。水凝胶在高湿度条件下可以捕获中等到大量的水资源（0.4-1.0克水/克），并且再生温度范围较低（40-70°C），其循环稳定性取决于聚合物的配方和抗膨胀疲劳能力。

表10比较了不同吸附类型的水资源捕获能力。

| 材料类型 | 相对湿度范围（%） | 水资源捕获能力（克水/克材料） | 再生温度（°C） | 循环稳定性 |
|---------|----------------|-----------------|-----------|-----------|
| 硅胶 | 30–60 | 0.25–0.35 | 80–120 | 高（100次+） |
| MOF-801 | 80–100 | 0.3–0.35 | 45–65 | 50–100 |
| MOF-303 | 10–40 | 0.45–0.5 | 45–60 | 50–100 |
| 沸石 | 20–50 | 0.2–0.28 | 150–250 | 非常高（100次+） |
| CaCl2（盐） | 20–80 | 1.0 | 60–100 | 中等 |
| 水凝胶 | 20–80 | 0.4–1.0 | 40–70 | 中等至高 |

表10指出了不同技术适用于干旱、半干旱和潮湿气候区的适用性。

气候区 | 相对湿度 | 适用技术 | 性能与考虑因素 |
|-----------|-----------------|-------------------|----------------------|
| 干旱 | 非常低（<30–40%） | 使用先进吸附剂的吸附系统（MOFs、水凝胶、复合材料）| 在冷却方法因高能耗而不实用的情况下高效运行 |
| | | 性能取决于吸附剂在低分压下对水蒸气的亲和力 |
| 半干旱 | 低至中等（40–70%） | 高容量吸附系统；主动冷却系统可能可行，但效率较低 | 更广泛的吸附剂变得可行 |
| | | 离子凝胶实现了最大的水资源生产潜力 | 主动冷却的能耗可能很高；一项在半干旱地区的研究发现能耗为0.576–0.926千瓦时/升 |
| | | 湿润 | 基于冷却的凝结（露水收集）；雾水收集（在特定沿海/多雾地区）；高容量吸附材料 | 直接冷却在热力学上更高效 |
| | | 水资源捕获指数更有优势 |

技术经济与环境视角：大气水资源捕获系统的平准化水成本（LCOW）对环境湿度和能源输入要求非常敏感。为了计算LCOW，需要考虑以下公式：
[8] LCOW = 年平准化水成本 = 资本支出（CAPEX）× 资本回收因子（CRF）× (1 + i)^n / (1 + i)^n
其中，LCOW表示每升水的年平准化成本（美元），CAPEX表示资本支出（美元），CRF表示资本回收因子，i表示折现率，n表示系统寿命（年），OPEX表示运营支出。

增加气流可以提高水资源产量，但会导致风扇功耗增加和热交换器需求增大，从而增加运营成本和资本成本。同样，提高热交换器的效率可以降低SEC（能源消耗系数），但会增加资本投资。因此，需要进行技术经济优化以平衡能源效率和系统成本。Siegel和Conser [121] 的技术经济建模显示，在干燥气候下，太阳能驱动的大气水资源捕获系统的特定能源需求范围为0.158至1.021千瓦时/升，最优条件下的LCOW最低为0.006美元/升。即使在潮湿气候下，主动冷却（除湿）系统也有较高的能源需求，导致其LCOW成本超过0.02美元/升 [122]。Gayoso等人 [120] 研究的基于吸附剂的AWH系统使用MOF-303材料，在相对湿度低至13%的条件下运行时，再生能量约为1000千瓦/立方米，LCOW约为0.01-0.012美元/升，具体取决于地理位置。Gayoso等人 [120] 还研究了可并网且基于太阳能的AWH单元，发现LCOW对湿度和可再生能源非常敏感。Micari等人 [123] 表明，膜基大气水资源捕获技术的LCOW介于0.033至0.325美元/升之间。与反渗透海水淡化技术相比，当前的海水淡化技术的LCOW在0.003至0.0025美元/升之间，具体取决于工厂的容量和燃料类型。

总体而言，大气水资源捕获系统的报告LCOW差异显著，主要是由于气候条件、技术路径、能源来源、系统规模和经济假设的不同 [78]。气候对LCOW有重大影响，热带地区的较高相对湿度会增加水分含量，从而降低所需特定能量。在干旱气候中，由于绝对湿度低，每单位水需要更多的能源 [1] [2]。被动雾水收集系统的LCOW最低（0.01–0.05美元/升），因为它们依赖自然水滴拦截和重力排水，从而避免了能源密集型的相变过程 [5]。相比之下，基于凝结的系统由于潜热移除而产生较高的运营成本，LCOW受电价、性能系数和环境温湿条件的影响较大 [2] [6]。基于吸附和金属有机框架（MOF）的系统表现出较大的变异性，反映了再生能量需求、吸附材料成本、吸附剂耐用性和原型规模运行的差异 [3] [4] [7]。此外，由于资本支出、更换间隔、折现率和辅助组件（如储存和处理）的不一致性，LCOW也存在差异 [2] [6]。实验室规模系统由于每日产水量有限和规模经济不发达，经常报告较高的LCOW [3] [7]。因此，方法学的多样性和强烈的气候依赖性共同解释了AWH研究中观察到的成本差异。

表11总结了不同气候条件和能源来源下各种大气水资源捕获系统的LCOW。这些数值受气候条件的影响很大。对于由电网电力驱动的热带地区凝结系统，成本范围为0.06-0.170美元/升，表明系统对电能有很强的依赖性。对于太阳能光伏供电的干旱、温和和热带气候区的凝结系统，LCOW值相对较低，范围为0.02-0.09美元/升，这表明由于电力消耗较低。对于干旱沿海地区的被动雾水收集系统，LCOW值相对较低，范围为0.01-0.05美元/升，这表明由于自然雾水的存在而成本较低。对于由电网电力驱动的温和气候区先进材料系统，基于干燥剂或纳米流体的系统具有相对有竞争力的成本，范围为0.022美元/升，这表明通过改进干燥剂动力学可以提高系统效率。对于基于相同先进材料的电网供电系统，在温和气候区，LCOW值较高，为0.450美元/升，这表明生产效率较低或系统效率较低。全球范围内的电网驱动凝结系统评估显示LCOW值约为0.1美元/升，进一步证明了传统AWH技术的能源密集性。全球评估的基于MOF的混合系统显示LCOW值在0.1至0.25美元/升之间，表明具有较高的水资源捕获潜力，但材料成本和再生成本仍然较高。

表12总结了不同淡化系统每升水的能源成本。

表12比较了不同淡化技术的LCOW值。

| 地区 | 淡化技术 | LCOW（美元/升） |
|-----------------|-----------------|-----------------|
| 沙特阿拉伯 | RO | 0.0018–0.0026 |
| 科威特 | RO | 0.0010–0.0010 |
| 迪拜 | 海水RO | 0.0003–0.0003 |
| 印度 | 混合/批处理电渗析和RO | 0.0016 |
| 迪拜 | SWRO | 0.0002–0.0007 |
| 迪拜 | 混合RO-MSF | 0.0008–0.0018 |

表13表明，由于较低的成熟度和每单位水的能源强度，大气水资源捕获技术的LCOW值显著高于淡化技术。此外，如雾水收集等被动技术的成本低于淡化技术。另一方面，由于材料再生的能源消耗，吸附技术和MOF技术的LCOW值显著较高。当比较大气水资源捕获技术和海水反渗透技术时，特别是在迪拜，由于大规模部署和优化基础设施，获得了最低的LCOW值。尽管淡化技术的气候依赖性较低且易于扩大规模以满足大规模用水需求，但大气水资源捕获技术对于水资源匮乏地区具有战略重要性，因为在这些地区无法部署淡化技术。尽管其水资源生产成本高于传统海水淡化技术，但它具有明显的竞争优势。大气水资源捕获技术相对于传统海水淡化技术最重要的竞争优势在于它可以用于离网供水。该技术可以在任何地方设立，无需连接供水系统或靠近海水或其他水源。大气水资源捕获技术能够从环境中直接生产饮用水，无需任何连接限制，使其成为岛屿和水资源供应基础设施因自然灾害而失效地区的理想选择。此外，它还可以在电力和供水系统连接困难的偏远地区用于生产饮用水。除了离网供水能力外，大气水资源捕获技术的另一个显著优势是它可以在使用点生产水。

表13比较了大气水资源捕获技术和淡化技术。

| 类型 | 大气水资源捕获 | 海水淡化 |
|---------------|-----------------|-----------------|
| 主要水源 | 大气水分 | 海水/微咸水 |
| 代表性技术 | 凝结、雾水收集、吸附、MOF基、干燥剂/纳米流体 | RO、SWRO、RO-MSF、混合RO-电渗析 |
| 气候/地区依赖性 | 热带、温和、干旱（高度气候敏感） | 海岸和内陆（低气候敏感性） |
| 能源来源 | 电网、太阳能光伏、被动、混合 | 主要依赖电网电力和集成电力系统 |
| LCOW范围（美元/升） | 0.010–0.45 | 0.0002–0.0026–0.0027 |
| 最低LCOW | 雾水收集（0.010美元/升） | SWRO在迪拜（0.000277美元/升） |
| 最高LCOW | 吸附系统（0.45美元/升） | RO在沙特阿拉伯（0.002647美元/升） |

表13表明，基于MOF的混合系统的LCOW值最低（0.0004美元/升），而传统RO系统的LCOW值较高（0.0026美元/升）。这为评估大气水资源捕获系统提供了一个基准。

表13比较了不同淡化技术的LCOW值。传统海水反渗透（RO）仍然是最具经济性和能源效率的选择，其低成本运营成本（LCOW）在0.0003-0.0025美元/升之间，二氧化碳当量排放量低于2克/升，而太阳能辅助的电渗析（ED）也显示出较低的碳强度。总体而言，虽然大气水收集（AWH）为水资源短缺地区提供了分散式解决方案，但其经济性和碳性能仍有很大提升空间，主要通过可再生能源耦合和先进材料开发来与现有的海水淡化技术竞争（表14）。表15。表14. 大气水收集与海水淡化系统的生命周期评估和碳足迹比较。技术类型 能源来源 典型LCOW（美元/升） 碳足迹（克二氧化碳当量/升） 参考文献 大气水收集电网 0.06 – 0.17 95–570 基于能源消耗计算 太阳能 0.02 – 0.09 ? 反渗透 可再生 0.0007–0.002 0.1–0.4 [136] 煤电电网 0.0008–0.018 1.8–11.7 多级闪蒸 天然气 0.0015–0.003 6.7 [137] 电渗析 含盐水RO 0.0002 – 0.0014.33 [138] 太阳能驱动的ED 0.0003 – 0.0015 1.47 [139]表15. 水质标准和处理。参数 WHO指南 [149] 典型AWH水质结果 推荐处理 空单元 参考 pH 6.5–8.5 6.5–7.9 [150], [151], [152] 通过再矿化调整pH 总溶解固体（TDS）（毫克/升）< 500 1.7–8.71再矿化（方解石/白云石床） 总硬度（CaCO3）（毫克/升）100 < 10毫克/升 再矿化 氯化物（毫克/升）200 0.7 硫酸盐（毫克/升）200 5 镁（毫克/升）150–300 32 铜（毫克/升）20.06 钙（毫克/升）150–300 106 铁（毫克/升）0.3 0.09 沉积物过滤（如需要） 锰（毫克/升）0.05 0.03 过滤（如果超标） 浊度（NTU）50.1–0.37 沉积物过滤、混凝/絮凝 + 过滤、超滤。硝酸盐（毫克/升）45 0.2 维护和耐久性 聚丙烯酰胺-LiCl水凝胶系统和基于聚合物的MOF复合材料的最新进展显示出良好的吸水性能，当这些材料被封装时可以成功循环使用，从而避免盐分泄漏。优化后的水凝胶配方在过程中表现出良好的循环稳定性，盐分损失最小，实验室条件下的吸水能力可达3.5克/克[89]。然而，材料的耐久性也存在问题，如吸附剂可能发生水解、聚合物降解和光化学氧化；盐分潮解；多次湿/干循环过程中的材料压实；以及由于灰尘、生物物质和空气污染物导致的表面污染。尽管MOF结构具有良好的稳定性，但在潮湿环境中可能会受损，除非经过稳定处理或嵌入聚合物基质中[140]。在最近的研究中，以下方法被认为可以有效缓解与材料吸附能力相关的耐久性问题：将盐分封装在聚合物网络中，使用聚合物@MOF水凝胶系统等复合材料，以及应用表面涂层以防止表面污染[141]。水质和安全 大气水收集系统在分配前应符合WHO对金属、硝酸盐和微生物指标的标准。最近的研究指出了三种特别值得关注的污染物：（1）从湿表面和热交换/冷凝部件中浸出的金属，如铜、铝或合金，在不同的pH/氧气条件下会发生腐蚀或电偶反应[142]；（2）来自聚合物材料的有机浸出物或可提取物[143]；（3）由储存的冷凝水或湿润的吸附剂表面促进的微生物生长（生物膜、机会性病原体）[144], [145], [146]。现代吸附剂的研究表明，仔细的材料选择和固定化策略大大减少了盐分泄漏和有机物释放，将MOFs嵌入聚合物基质中可以提高水解稳定性[147]。WHO的家庭处理指南建议至少进行颗粒过滤，然后通过验证的紫外线消毒来灭活细菌/病毒，最后进行再矿化或碱化[148]。技术成熟度水平和实际应用挑战 尽管已经有了小型产品和原型，但这些技术的商业化使用仍处于起步阶段。许多系统仍处于实验或示范阶段，尤其是在实验室环境之外。评估显示，大气水收集技术（如吸附、冷凝和雾收集）仍处于技术成熟度早期的阶段，大多数系统具有很高的潜力，但在实际应用中的成熟度较低且成本较高[153]。与传统供水解决方案相比，这种低技术成熟度尤其明显，因为许多设计尚未在受控环境之外进行大规模测试。集成在建筑物立面中的雾收集和露水收集在某些小规模应用中显示出可行性，但总体仍处于实验阶段，现场性能有限，长期可靠性不明确。展望和研究方向 本章讨论了未来大气水收集研究的方向，必须基于定量标准侧重于可持续设计原则。已经证明了AWH在冷凝、吸附和被动雾收集方法中的技术可行性。然而，可扩展性不仅受单一因素限制，还受到热力学、材料和系统层面相互依赖的限制。AWH的主要限制是相变或吸附过程所需的高比能耗，这直接关系到生产水的平准化成本。因此，克服可扩展性限制需要材料开发和热管理的共同努力，而不仅仅是材料性质的渐进式改进。对于基于冷凝的系统，将大量空气冷却至露点以下的热力学限制导致固有的能耗。在大规模应用中，压缩机和风扇的辅助负载占总能耗的很大部分。因此，提高可扩展性的最可行路径不是进一步减小尺寸，而是与低品位废热结合、混合蒸发预冷却或可再生能源驱动的蒸汽压缩循环。基于吸附和MOF的系统在低相对湿度条件下是可行的，但它们在吸附/解吸循环过程中的热和质量传递耦合方面存在可扩展性限制。未来的研究应增强吸附床与热交换器之间的界面热传递，优化结构化或整体吸附剂架构以降低压力降。探索低成本合成方法（基于水的高产率、微辅助合成、吸附-辐射冷却）并建立标准化的性能测试协议。材料创新仍然重要，但成本效益的合成和循环负载下的长期耐久性同样关键。室温或溶剂最小化的合成路线（机械化学生产）不仅代表了材料的进步，也是降低嵌入能量和生命周期排放的途径。雾收集的被动技术本质上具有能源效率，但其可扩展性受地理限制，因此部署策略应根据地区进行优化，而不是普遍推广。在所有AWH技术中，气候敏感性仍然是一个挑战。生产率受昼夜温差、湿度波动和季节变化的影响很大。因此，必须通过结合长期现场验证的气候解析建模来评估可扩展性，而不仅仅是稳态实验室指标。标准化的性能指标和统一的报告对于跨技术比较和现实的技术经济评估至关重要。从技术路线图的角度来看，未来的研究应该 focus on：•系统级优化、标准化指标以及在现实环境条件下的验证。•能够与可再生能源或废热源结合的模块化、热集成单元，同时改进结构化吸附剂架构和热交换器设计。•集成先进材料、智能控制算法和可再生能源基础设施的混合系统，以在多变气候条件下最小化LCOW和碳足迹并保持可靠性。在材料科学层面，包括原位光谱学、中子散射和同步辐射X射线衍射在内的先进表征技术，结合分子模拟，可以阐明吸附机制，如氢键网络形成、毛细管凝结和协同聚集。然而，这些研究应明确与宏观性能指标联系起来，确保分子见解转化为改进的循环稳定性、降低的再生焓和提高的热传递效率。同样，关于冷凝器表面成核和液滴生长动力学的研究必须将微观（微观机制）界面现象与系统级别的冷凝效率和耐久性联系起来。结论 大气水收集作为一种分散式方法，在补充传统供水系统方面显示出巨大潜力，特别是在水资源紧张和基础设施有限的情况下。与经常受到高能耗、场地依赖性和生态问题挑战的海水淡化和水再利用相比，AWH能够利用广泛存在的大气湿度。然而，其实际应用仍然高度依赖于具体地点，性能受到环境湿度、温度和能耗的显著限制。最近在吸湿材料方面的改进，包括金属有机框架、水凝胶、离子液体和离子凝胶，在干旱条件下显著提高了吸水能力，从而克服了上述挑战。尽管AWH在成本上尚未达到规模化海水淡化的竞争力，但它覆盖了一个关键领域，在这个领域，集中式基础设施系统无法为离网、偏远地区或灾后救援提供水资源，同时保持海水环境。CRediT作者贡献声明Amir Zanj：写作 - 审阅与编辑、撰写原始草稿、监督、正式分析。Seyoum Nigussie：写作 - 审阅与编辑、撰写原始草稿、验证、方法论、调查、正式分析、概念化。