CN114032992A - 一种基于MOFs的吸附式空气取水装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于MOFs的吸附式空气取水装置及方法，其方法包括：采用开放式循环吸附空气中的水分：将含有水分的空气持续通入MOFs吸附床，通过MOFs吸附床吸附空气中的水分，并持续将吸附后的空气排放到大气环境；采用封闭式循环解吸和冷凝吸附的水分：将冷凝后的气体加热后通入MOFs吸附床解吸水分，将MOFs吸附床排出的含有水分的气体冷凝至露点实现气体和水分分离，收集水分并通过冷凝后的气体循环本步骤；本发明能够在相对湿度较低的环境下取水，且取水效率高。
Description
技术领域
本发明属于吸附取水技术领域，具体涉及一种基于MOFs的吸附式空气取水装置及方法。
背景技术
空气取水以大气中的气态水(水蒸气)为水源，具有不受地域地形限制、不受水源限制，水质相对清洁，小规模便携化等优点；对于远离水源和市政供水的沙漠/干旱地区，以及部队野外驻训、抢险救灾和偏远哨所具有良好的适用性。现有技术中多采用冷却空气法，如图1所示，冷却空气法取水为a-b过程，需要直接冷却的露点很低，导致耗能较高；同时冷却空气法采用的制冷剂大多为氟氯化物，对臭氧层具有破坏作用并引发温室效应，，同时还会消耗巨大的电能。当空气相对湿度RH为20％时，露点为4℃；当RH为10％时，露点达到0℃以下，便会出现结霜现象，造成管路堵塞，影响取水效率。
为了解决上述问题，本申请提出一种基于MOFs的吸附式空气取水装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于MOFs的吸附式空气取水装置及方法，以解决现有的冷却空气法在相对湿度低的环境下是极其耗能和效率降低，且存在管道露点结霜的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
第一方面，本发明提供了一种基于MOFs的吸附式空气取水方法，包括：
采用开放式循环吸附空气中的水分：
将含有水分的空气持续通入MOFs吸附床，通过MOFs吸附床吸附空气中的水分，并持续将吸附后的空气排放到大气环境；
采用封闭式循环解吸和冷凝吸附的水分：
将冷凝后的气体加热后通入MOFs吸附床解吸水分，将MOFs吸附床排出的含有水分的气体冷凝至露点实现气体和水分分离，收集水分并通过冷凝后的气体循环本步骤。
可选的，所述采用开放式循环吸附空气中的水分的过程中，当吸附后排出的空气的温度和湿度达到通入MOFs吸附床的空气的温度和湿度，则吸附结束；所述采用封闭式循环解吸和冷凝吸附的水分的过程中，当冷凝后的气体的温度和湿度达到通入MOFs吸附床的气体的温度和湿度，则解吸结束。
第二方面，本发明提供了一种适用于上述所述的一种基于MOFs的吸附式空气取水方法的装置，包括MOFs吸附床，
所述MOFs吸附床的进口和出口分别连接有进口三通和出口三通，所述进口三通上还通过管道分别连接有第一阀门和第二阀门，所述第一阀门和第二阀门的外侧通过管道分别连接有第一气泵和第二气泵；所述出口三通上还通过管道分别连接有第三阀门和第四阀门，所述第四阀门通过管道依次连接有冷凝器、储水罐、储气罐和空气加热器，所述空气加热器的出口通过管道与第二气泵连接；
采用开放式循环吸附空气中的水分时，所述第一气泵、第一阀门和第三阀门开启，所述第四阀门、空气加热器、第二气泵和第二阀门关闭；
采用封闭式循环解吸和冷凝吸附的水分时，所述第一气泵、第一阀门和第三阀门关闭，所述第四阀门、空气加热器、第二气泵和第二阀门开启。
可选的，所述管道、MOFs吸附床、储水罐、储气罐和空气加热器的表面均覆盖有保温材料。
可选的，所述装置还包括集成控制器和传感组件，所述传感组件包括分别设置于MOFs吸附床的进口和出口的第一温湿度传感器和第二温湿度传感器，所述第一温湿度传感器和第二温湿度传感器分别与集成控制器电性连接。
可选的，所述传感组件还包括设置于储水罐内侧的液位传感器，所述液位传感器与集成控制器电性连接。
可选的，所述储水罐的底部设置有第五阀门，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门均为电磁阀且分别与集成控制器电性连接。
可选的，所述储气罐上设置有泄压阀。
可选的，所述MOFs吸附床包括筒状壳体，所述壳体中部设置有中心柱，所述中心柱为中空结构且表面布满通孔，所述MOFs吸附床的进口连接于中心柱的一端；所述中心柱上套设有吸附滚筒，所述吸附滚筒表面沿中心线圆周间隔设置有若干首尾相连的吸附板，所述MOFs吸附床的出口连接于壳体上。
可选的，所述MOFs吸附床倾斜于水平面设置，使得所述MOFs吸附床的进口和出口分别位于MOFs吸附床的底部。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种基于MOFs的吸附式空气取水装置及方法，采用MOFs吸附床，能够在低相对湿度环境下更有效的从空气中取水；采用开放式循环吸附空气中的水分和封闭式循环解吸和冷凝吸附的水分，能够提供在低相对湿度环境下高效取水，更好的应用于沙漠/干旱地区等极端工况。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明背景技术提供的一种空气中水蒸气含量温湿图；
图2是本发明实施例提供的一种基于MOFs的吸附式空气取水方法的示意图；
图3是本发明实施例提供的低温吸附-高温解吸-中温冷凝的卡诺循环示意图；
图4是本发明实施例提供的基于MOFs的吸附式空气取水方法的装置示意图；
图5是本发明实施例提供的吸附滚筒结构示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种基于MOFs的吸附式空气取水方法的装置示意图；
图中标记为：
1.MOFs吸附床，101.吸附滚筒，102.吸附板，111.第二吸附床，112.第三吸附床，2.冷凝器，3.储水罐，4.储气罐，5.空气加热器，6.第一气泵，7.第二气泵，8.第一阀门，9.第二阀门，10.第三阀门，11.第四阀门，12.第五阀门，13.泄压阀，14.第六阀门，15.第七阀门，16.第八阀门，17.第九阀门，18.第十阀门，19.第十一阀门，20.第十二阀门，21.第十三阀门。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
MOFs：金属-有机骨架化合物(Metal organic Frameworks，MOFs)，由金属离子为中心体，通过有机物配体相连接，三维网络结构使其具有大比表面积和多孔容属性，具有大的水吸附量、可变的亲水性等独特性能。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于MOFs的吸附式空气取水方法，包括：
采用开放式循环吸附空气中的水分：
将含有水分的空气持续通入MOFs吸附床，通过MOFs吸附床吸附空气中的水分，并持续将吸附后的空气排放到大气环境；
采用封闭式循环解吸和冷凝吸附的水分：
将冷凝后的气体加热后(高温气体)通入MOFs吸附床解吸水分，将MOFs吸附床排出的含有水分的气体(高湿气体)冷凝至露点实现气体和水分分离，收集水分(液态水)并通过冷凝后的气体循环本步骤。
采用开放式循环吸附空气中的水分的过程中，当吸附后排出的空气的温度和湿度达到通入MOFs吸附床的空气的温度和湿度，则吸附结束；采用封闭式循环解吸和冷凝吸附的水分的过程中，当冷凝后的气体的温度和湿度达到通入MOFs吸附床的气体的温度和湿度，则解吸结束。
如图3所示，其工作原理如下：固体吸附式空气取水由吸附过程、解吸过程和冷凝过程组成，可以用低温吸附-高温解吸-中温冷凝的卡诺循环来描述：
吸附过程：初始阶段，出口气体温度Ta,out等于进口气体温度Ta,in，MOFs吸附床出口气体湿度由进口气体湿度和吸附剂的剩余吸附量决定，吸附反应为放热反应；第一阶段，随着水蒸气吸附的进行，出口气体温度持续上升至T’a,out、湿度保持不变，吸附反应持续大量放热、焓值逐渐增加(焓值由湿度和温度共同决定)，此阶段吸附效率高；第二阶段，当出口气体焓值增加到进口气体焓值时出现转折，出口气体温度逐渐降低、湿度逐渐增加、焓值保持不变，此阶段为等焓吸附阶段，吸附效率正在降低，直至出口气体状态(温度和湿度)达到进口气体状态表示吸附剂饱和，吸附结束。
解吸过程：解吸开始，高温低湿的进口气体持续进入，解吸反应为吸热反应，以高温低湿进口气体提供热能；第三阶段，出口气体温度Td,out持续上升、湿度保持不变、焓值逐渐增加，此阶段解吸效率高；第四阶段，当出口气体焓值增加到进口气体焓值时，同样出现转折T’d,out，解吸过程同样吸收热量，但效率开始减低，导致出口气体温度逐渐增加、湿度逐渐下降，直至出口气体状态(温度和湿度)达到进口气体状态，说明吸附剂再无法解吸，解吸结束，此阶段为等焓解吸阶段。
冷凝过程：从第三、四阶段解吸出高湿度的出口气体，进入冷凝器降至露点温度，由气态水冷凝成液态水。
实施例二：
如图4所示，本发明实施例提供了一种适用于上述的一种基于MOFs的吸附式空气取水方法的装置，包括MOFs吸附床1，MOFs吸附床1的进口和出口分别连接有进口三通和出口三通，进口三通上还通过管道分别连接有第一阀门8和第二阀门9，第一阀门8和第二阀门9的外侧通过管道分别连接有第一气泵6和第二气泵7；出口三通上还通过管道分别连接有第三阀门10和第四阀门11，第四阀门11通过管道依次连接有冷凝器2、储水罐3、储气罐4和空气加热器5，空气加热器5的出口通过管道与第二气泵7连接。
具体的：管道、MOFs吸附床1、储水罐3、储气罐4和空气加热器5的表面均覆盖有保温材料，提升整个装置保温性能，避免能耗的浪费。储气罐4上设置有泄压阀13，在储气罐4压力过大时，将内部压力释放出去。
MOFs吸附床1包括筒状壳体，壳体中部设置有中心柱，中心柱为中空结构且表面布满通孔，MOFs吸附床的进口连接于中心柱的一端；中心柱上套设有吸附滚筒，壳体顶部还活动设置有盖板，盖板打开时可以方便更换和检查吸附滚筒；如图5所示，吸附滚筒101表面沿中心线圆周间隔设置有若干首尾相连的吸附板102，MOFs吸附床1的出口连接于壳体上。MOFs吸附床1倾斜于水平面设置，使得MOFs吸附床1的进口和出口分别位于MOFs吸附床1的底部。通过设置吸附滚筒101增加吸附面积，提高吸附效率，同时将MOFs吸附床1倾斜设置，可以增加空气在MOFs吸附床1内部的停留时间同时防止短流，进一步提升吸附效率。
为了便于控制，装置还包括集成控制器和传感组件，传感组件包括分别设置于MOFs吸附床1的进口和出口的第一温湿度传感器和第二温湿度传感器，第一温湿度传感器和第二温湿度传感器分别与集成控制器电性连接。传感组件还包括设置于储水罐3内侧的液位传感器，液位传感器与集成控制器电性连接。储水罐3的底部设置有第五阀门12，第一阀门8、第二阀门9、第三阀门10、第四阀门11和第五阀门12均为电磁阀且分别与集成控制器电性连接。通过集成控制器，可以实现整个装置的控制。
控制逻辑如下：
采用开放式循环吸附空气中的水分时，第一气泵6、第一阀门8和第三阀门10开启，第四阀门11、空气加热器5、第二气泵7和第二阀门9关闭；
采用封闭式循环解吸和冷凝吸附的水分时，第一气泵6、第一阀门8和第三阀门10关闭，第四阀门11、空气加热器5、第二气泵7和第二阀门9开启。
此外，可以通过液位传感器获取储水罐3中的液位从而控制第五阀门12导通释放液态水；通过第一温湿度传感器和第二温湿度传感器的信号值，可以判断吸附和解吸过程是否结束，原理在实施例一中已经说明。
实施例三：
如图6所示，本发明另一种实施例提供了一种适用于上述的一种基于MOFs的吸附式空气取水方法的装置，在实施例二的基础上，增加了与MOFs吸附床相同的第二吸附床111和第三吸附床112，并保持MOFs吸附床1、第二吸附床111和第三吸附床112并联连接；在第二吸附床111和第三吸附床112的进出口处分别增设第六阀门14、第七阀门15、第八阀门16、第九阀门17、第十阀门18、第十一阀门19、第十二阀门20和第十三阀门21；通过增设的各个阀门可以连通和切断各个吸附床之间的联系，保证每个吸附床工作不受影响。
将3个吸附床并联，可实现装置各单元连续运行出水，提升装置取水效率；通常是一个吸附床进行冷凝解吸，另外两个吸附床进行吸附，具体过程如下：第二吸附床111和第三吸附床112正在进行开放式循环，吸附空气中的水分；MOFs吸附床1正在进行封闭式循环，解吸和冷凝吸附的水分。当MOFs吸附床1完成解吸和冷凝过程时，第二吸附床111恰好完成吸附过程；MOFs吸附床1开始进行开放式循环，吸附空气中的水分；第二吸附床111开始进行封闭式循环，解吸和冷凝吸附的水分；第三吸附床112继续进行开放式循环，吸附空气中的水分，直至完成吸附过程，循环本步骤切换至解吸和冷凝吸附过程。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于MOFs的吸附式空气取水方法，其特征在于，包括：
采用开放式循环吸附空气中的水分：
将含有水分的空气持续通入MOFs吸附床，通过MOFs吸附床吸附空气中的水分，并持续将吸附后的空气排放到大气环境；
采用封闭式循环解吸和冷凝吸附的水分：
将冷凝后的气体加热后通入MOFs吸附床解吸水分，将MOFs吸附床排出的含有水分的气体冷凝至露点实现气体和水分分离，收集水分并通过冷凝后的气体循环本步骤。
2.根据权利要求1所述的一种基于MOFs的吸附式空气取水方法，其特征在于，所述采用开放式循环吸附空气中的水分的过程中，当吸附后排出的空气的温度和湿度达到通入MOFs吸附床的空气的温度和湿度，则吸附结束；所述采用封闭式循环解吸和冷凝吸附的水分的过程中，当冷凝后的气体的温度和湿度达到通入MOFs吸附床的气体的温度和湿度，则解吸结束。
3.一种适用于如权利要求1-2中任一项所述的一种基于MOFs的吸附式空气取水方法的装置，其特征在于，包括MOFs吸附床，
所述MOFs吸附床的进口和出口分别连接有进口三通和出口三通，所述进口三通上还通过管道分别连接有第一阀门和第二阀门，所述第一阀门和第二阀门的外侧通过管道分别连接有第一气泵和第二气泵；所述出口三通上还通过管道分别连接有第三阀门和第四阀门，所述第四阀门通过管道依次连接有冷凝器、储水罐、储气罐和空气加热器，所述空气加热器的出口通过管道与第二气泵连接；
采用开放式循环吸附空气中的水分时，所述第一气泵、第一阀门和第三阀门开启，所述第四阀门、空气加热器、第二气泵和第二阀门关闭；
采用封闭式循环解吸和冷凝吸附的水分时，所述第一气泵、第一阀门和第三阀门关闭，所述第四阀门、空气加热器、第二气泵和第二阀门开启。
4.根据权利要求3所述的一种基于MOFs的吸附式空气取水方法的装置，其特征在于，所述管道、MOFs吸附床、储水罐、储气罐和空气加热器的表面均覆盖有保温材料。
5.根据权利要求3所述的一种基于MOFs的吸附式空气取水方法的装置，其特征在于，所述装置还包括集成控制器和传感组件，所述传感组件包括分别设置于MOFs吸附床的进口和出口的第一温湿度传感器和第二温湿度传感器，所述第一温湿度传感器和第二温湿度传感器分别与集成控制器电性连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于MOFs的吸附式空气取水方法的装置，其特征在于，所述传感组件还包括设置于储水罐内侧的液位传感器，所述液位传感器与集成控制器电性连接。
7.根据权利要求5所述的一种基于MOFs的吸附式空气取水方法的装置，其特征在于，所述储水罐的底部设置有第五阀门，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门均为电磁阀且分别与集成控制器电性连接。
8.根据权利要求3所述的一种基于MOFs的吸附式空气取水方法的装置，其特征在于，所述储气罐上设置有泄压阀。
9.根据权利要求3所述的一种基于MOFs的吸附式空气取水方法的装置，其特征在于，所述MOFs吸附床包括筒状壳体，所述壳体中部设置有中心柱，所述中心柱为中空结构且表面布满通孔，所述MOFs吸附床的进口连接于中心柱的一端；所述中心柱上套设有吸附滚筒，所述吸附滚筒表面沿中心线圆周间隔设置有若干首尾相连的吸附板，所述MOFs吸附床的出口连接于壳体上。
10.根据权利要求4所述的一种基于MOFs的吸附式空气取水方法的装置，其特征在于，所述MOFs吸附床倾斜于水平面设置，使得所述MOFs吸附床的进口和出口分别位于MOFs吸附床的底部。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220211 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |