引言我国自然资源部发布的《2017年海岛统计调查公报》显示，我国共有海岛1.1万余个，约占我国陆地面积的0.8%。面积在500 m²以上的海岛有7 372个，其中有居民的海岛有452个，有淡水资源的海岛有665个。海岛作为海洋经济的主要阵地，是建设海洋强国的基本支撑。水资源已成为沿海地区经济社会发展的制约因素。淡水资源是海岛积极发展的物质基础和支持条件。我国海岛的现状是小岛多、大岛少，无人岛多、有人岛少，缺水岛多、有水岛少。随着蓝色经济的不断发力，海岛的开发进入快速发展时期，使淡水资源的供需矛盾愈发突出。因此，充分利用海岛阳光足、水汽多的环境优势，研制空气取水装置，对于缓解海岛淡水资源问题有着重要意义。1不同空气取水方式对比国内外研究的空气取水方法较多，主要包括制冷结露法、聚雾取水法、膜分离法、吸收法和吸附法等。空气取水方法优缺点对比如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.030.T001表1空气取水方法优缺点对比空气取水方法制冷结露法聚雾取水法膜分离法吸收法吸附法优点原理简单，取水连续，发展技术成熟且有相关产品。结构简单，无须耗能，经济效益高。分离效率高，清洁，得到水的水质好，操作简单。利用废热、适用环境湿度范围广。利用废热、适用环境湿度范围广。缺点在低露点的干燥空气中取水存在效率低、能耗高、易结露问题。只适用于多雾地区，系统稳定性差，收集网面耐久性较差，维护烦琐。膜成本高、能源利用率低。腐蚀设备、体积庞大、系统复杂。吸附剂性能不高。1.1制冷结露法当温度降低到湿空气的露点温度时，湿空气中水蒸气分压力大于该温度的水蒸气的饱和分压力，水蒸气冷凝结露析出。水蒸气冷凝成液态水时释放蒸发潜热。热量在冷却表面及时被带走，正向促进冷凝过程，防止冷凝水的再蒸发[1]。1.2聚雾取水法通过搭建捕雾网，使其与空气的来流方向垂直，空气中的水蒸气遇到温度较低的网面时会聚集成雾滴，小水珠逐渐变大后通过重力作用滴落，由集水器收集并储存[2]。1.3膜分离法利用人工合成的高分子膜使溶剂与溶质或微粒隔断，在膜两侧使水与水中成分或水中各类成分之间的运输推动力形成差异，分离预去除的成分。1.4吸收法利用混合气体中水分与吸收剂的溶解能力不同或化学反应性能的差异，水分被液体吸收剂吸收，再通过解吸再生，达到分离混合气体中水分的目的。1.5吸附法利用混合气体中的水分与吸附剂分子间作用力不同或气体组分子大小与吸附剂孔径大小的差异，达到选择性吸附的目的，实现混合气体组分的分离，改变条件后，吸附剂所吸附的水分可以被解析出，实现吸附剂的再生。为了解决海岛淡水资源短缺问题，基于吸附式空气取水方法，针对目前研究中出现的问题以及海岛地区的实际需求，提出了一种基于活性氧化铝复合氯化钙/氯化锂吸附剂的零能耗、零排放、节能环保的空气取水装置。2吸附式空气取水装置设计2.1装置工作原理在装置内部放置相应的吸附剂，在夜间通过吸附剂的吸附特性捕获空气中的水蒸气。通过装置内部的集热系统吸收太阳光中的热量，进而加热箱体，使被吸附的水以气态形式脱离吸附剂，在冷凝集水系统中转换为液态水，由集水管导向过滤净水系统，经过一系列的净化作用后成为可饮用水。吸附剂的吸附量和吸附速率与吸附当天的空气湿度、温度、日照时间等环境因素有关联，这些因素直接决定了装置的产水量，在水汽充沛及光辐射强的地区装置可以达到更好的取水效果。2.2装置工作流程将装置置于光照充足的位置，夜间打开箱体上的进气门，利用吸附剂的吸附特性充分捕获空气中的水蒸气。白天通过装置顶端的菲涅尔透镜将太阳光聚集于透镜下方的集热板，热量经导热管传递至下方箱体，使下方箱体温度大幅提升，高温促使吸附剂所捕获的水蒸气蒸发脱附。集水漏斗上表面和吸附板下表面均铺设了导热性能极差的气凝胶毡，水蒸气和气凝胶毡相遇时，冷凝达到露点并形成水珠，水珠顺集水漏斗流入带有侧孔的集水管，经过螺旋式冷凝管进行二次冷凝后，流入水质净化装置。经由PP棉滤芯、前置颗粒碳滤芯、压缩活性炭滤芯和后置活性炭滤芯构成水质过滤系统后流入储水箱。2.3装置各部分工作原理2.3.1集热系统装置顶部安置了一块菲涅尔透镜，通过缩短光线在透镜中行驶的直线径向距离，该透镜相较于传统透镜具有重量轻、价格低、聚光性能优等特点，透镜表面的曲率可以决定光线的偏转角度，但对于菲涅尔透镜，锯齿形等厚切割并不会影响其曲率，反而可以减轻用料成本。菲涅尔透镜工作原理如图1所示。在降低成本的同时，还需要注意对太阳光能量的利用率，由于菲涅尔透镜的聚光效果受透镜材质等因素的影响，存在部分入射阳光损失[3]，实际的折射损耗效率为7%~10%[4]。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.030.F001图1菲涅尔透镜工作原理经纬度、地球日夜自转及季节的不同将会导致全年太阳高度角存在差异。参考马广田[5]研究光线入射角变化对菲涅尔透镜聚光效果的结果，该集热系统建议在全年太阳高度角大的地区使用，因此在控制装置成本及经济空间的前提下，适当改变入射角以增大对光的利用率能够有效提高装置的经济性以及运行能力。太阳光经菲涅尔透镜后聚集在由航空铝板制成的集热板上，由于其优异的吸热及导热性能，迅速将光能转换为热能并传递至导热管，导热管向下导热并加热箱体，烘出吸附剂中的水分。2.3.2冷凝集水系统夜间打开箱体的进气口，冷凝集水系统通过内部吸附板上附着的活性氧化铝复合氯化钙/氯化锂吸附剂，该吸附剂具有较大的表面积、良好的吸附性能、优异的理化稳定性质、较高的机械强度等。通过表面吸附、微孔填充、毛细冷凝等多种方式捕获空气中的水分子，再通过微孔填充引发毛细凝聚，实现孔隙内部的水分子由气态转变为液态，借此充分捕获空气中的水蒸气[6]。晴天时系统内部由集热系统经导热管提供的热量充分加热箱体，使得吸附剂中的水分经过蒸发脱附离开吸附剂。脱附出的水蒸气遇到导热性极差的气凝胶毡时，达到露点温度，并冷凝液化成水珠，顺着集水管流入过滤净水系统。导热管具有良好的导热性能，其均匀分布能够使每层的隔间均达到理想温度，避免了箱内温度无法达到预期而导致产水量下降的情况。吸附板为铝板制作，耐高温且导热性较好，用以放置吸附剂，每个吸附板上有若干导气孔，用于夜晚装置内空气流通时，吸附板上的吸附剂充分吸收空气中的水蒸气以达到最大程度的饱和。带孔吸附板如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.030.F002图2带孔吸附板气凝胶毡具有极低的导热性能，能够使逃逸的水蒸气在接触气凝胶毡后从气态转换为液态，并冷凝为小水珠，沿装置中部的集水管顺流至下方的螺旋式冷凝管。对于少量还未液化的水蒸气，可经过冷凝管二次冷凝液化进入过滤净水系统，冷凝集水系统如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.030.F003图3冷凝集水系统吸附板、集水漏斗和气凝胶毡剖面如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.030.F004图4吸附板、集水漏斗和气凝胶毡剖面2.3.3过滤净水系统通过PP棉滤芯、前置颗粒碳滤芯、压缩活性炭滤芯和后置活性炭滤芯层层过滤，将冷凝后的水净化为可饮用水，并经由导水管道流至储水箱。螺旋式冷凝管、过滤净水装置和装置系统结构如图5~图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.030.F005图5螺旋式冷凝管10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.030.F006图6过滤净水装置10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.030.F007图7装置系统结构3主要创新点（1）冷凝方式特殊。利用气凝胶毡导热系数低的性质，既可以保持箱体内部的高温环境，又能使水蒸气快速达到露点温度冷凝液化。（2）聚光方式特殊。利用圆柱面菲涅尔透镜将大面积的太阳光汇聚在一个较小面积的集热板上，从而提高集热效率，大幅增加能量转换效率。4结语文中设计的空气取水装置适用于海岛等空气湿度大、温度高的缺水地区，与市场其他空气取水装置相比，设计装置可实现零能耗，零排放，多次重复利用，实现绿色节能环保。