基于盐分的大气水分收集系统对空气中有机污染物的吸收量减少

《ACS ES&T Water》：Reduced Uptake of Airborne Organic Pollutants in Salt-Based Atmospheric Water Harvesting

　　大气水收集技术中，使用LiCl和CaCl2等吸湿盐材料可显著降低挥发性有机化合物（VOCs）的迁移，其极性和高离子强度抑制了非极性VOCs的溶解，极性VOCs如醇类仍可被部分吸附，但浓度远低于硅胶、主动水发生器（AWG）和冷凝法。初始萃取水样VOCs浓度较高，需丢弃首段水。该方法水质安全，适合污染环境下的饮用水生产。

　　全球淡水资源正面临日益严峻的挑战，这一问题不仅源于气候变化，还受到人类活动的深刻影响。干旱、洪水、热浪、野火以及空气污染等因素共同导致了淡水资源的减少，对人类社会、生态系统和农业生产造成了严重威胁。研究表明，自21世纪初以来，地下水的枯竭速度持续加快，部分地区地下水位下降幅度甚至超过了30%。特别是在东南亚地区，水坝的水位受到季风降雨和干旱的显著影响。此外，极端天气事件，尤其是洪水，被认为是影响饮用水质量的重要因素，而其他研究则关注了河流水质的具体变化。同时，人为污染，如城市和工业废弃物，也在许多地区破坏了水质，导致药物残留、个人护理产品、多氯联苯（PCBs）和农药等污染物的存在。

为了缓解这些问题，开发替代的、可持续的和高质量的饮用水来源变得尤为重要。大气取水技术（Atmospheric Water Harvesting, AWH）因其对传统基础设施和外部气候条件的低依赖性，成为一种有前景的选择。近年来，各种AWH技术被广泛研究，从高产但高能耗的主动式大气取水装置（Active Atmospheric Water Generator, AWG）到能耗低但效率较低的被动式方法，如露水收集。AWG能够日产超过10,000升的水，但其运行需要大量能源输入。相比之下，被动式方法，如露水收集和使用干燥剂的水汽吸附技术，虽然效率较低，但能耗显著减少。同时，一些混合方法，结合干燥剂吸附、主动空气流动、加热和冷凝，也逐渐受到关注。这些方法通过优化干燥剂饱和和冷凝过程中的能量使用，有望提高取水效率和经济性。

与此同时，材料科学的进步显著提升了基于吸附的取水系统（Sorption-based AWH, SAWH）的性能。例如，一些具有高吸湿性的盐类，如氯化钙（CaCl?）和氯化锂（LiCl），已被整合到结构化支持材料中，如金属有机框架（MOFs）和水凝胶中，以提高低相对湿度下的取水能力。某些研究显示，CaCl?改性的MOF-808复合材料在30%相对湿度下能够实现0.56 g/g的取水率，并通过被动太阳能加热实现每日1.8 kg/kg的取水能力。而水凝胶-盐系统在某些情况下可达到每平方米每天5.5 kg的取水率，甚至在更高湿度下可达到16.9 kg的取水能力，这意味着仅需一个平方米的材料表面即可满足多个个体的日常饮水需求。

此外，一些新兴策略包括使用离子液体（Ionic Liquids, ILs）和深共晶溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）作为液相吸附材料，这些材料表现出可调节性和较低的再生温度，但其长期实用性仍在评估中。相比之下，基于吸附的取水方法通常具有较低的能耗，尤其在使用被动太阳能辐射进行水回收时，几乎不需要外部电力。即使在需要主动加热或脱附的情况下，热能需求也相对较小，可以通过小型太阳能热收集器或光伏供电系统来满足。同时，吸附材料如CaCl?、LiCl和硅胶的成本非常低，约为每公斤0.25到0.98美元，这使得基于吸附的方法特别适合离网或资源有限的地区，这些地区对能源效率和操作简便性有更高的要求。

尽管大多数关于AWH的研究集中在取水量和能耗上，但对水质量和化学成分的研究仍然有限。已有研究分析了AWG和被动露水收集方法中的污染物，如挥发性有机化合物（VOCs）、主要离子、有毒金属、多氯联苯、氨和总有机碳等。然而，针对使用干燥剂的取水方法中具体化学成分的研究较少。一项研究显示，基于干燥剂的系统在取水质量方面优于压缩式系统，例如，某些金属的浓度在干燥剂系统中显著低于压缩式系统。此外，研究还发现，某些醛类化合物（尤其是甲醛）在干燥剂系统中浓度较高。因此，对于取水系统中的污染物行为，需要更深入的了解。

在实际应用中，大气中往往含有有害污染物，包括来自工业、车辆和家庭源的挥发性有机化合物。因此，评估这些污染物如何转移到取水中，并分析其可能的健康影响变得尤为重要。研究还发现，VOCs的转移与它们的化学性质密切相关，包括极性和氢键形成能力。例如，某些研究指出，即使在相似的空气中，醇类化合物的转移率比芳香烃类（如BTEX）高3倍。这表明，在不同的取水机制中，VOCs的污染情况可能有所不同。

对于基于干燥剂的取水方法，其机制与冷凝式取水方法有所不同。在冷凝过程中，水蒸气首先凝结形成水滴，随后这些水滴从周围空气中吸附VOCs。而在基于干燥剂的取水过程中，水蒸气首先吸附到干燥剂的晶体表面，形成水合物。随着吸附的持续，干燥剂溶解形成饱和溶液。水分子随后可能继续吸附或蒸发，这取决于周围空气的相对湿度。极性VOCs可能在两个阶段中被吸附或溶解，即通过与水合物层形成氢键或溶解到饱和的盐溶液中。然而，由于高离子强度和可能的空间位阻，VOCs在水合物层的吸附可能不如在盐溶液中明显。尽管如此，干燥剂的表面积、孔隙率等其他热力学性质仍可能促进这一过程。进一步的研究需要确定哪种吸附机制在整体上占主导地位。

此外，研究还发现，饱和盐溶液的高盐度使其具有强极性，这会显著影响其对VOCs的溶解能力。高极性和离子强度的结合会导致许多VOCs的溶解性受到抑制，包括一些中等极性的化合物。实验结果显示，LiCl溶液对VOCs的吸收能力最低，而CaCl?溶液和DI水的吸收能力分别比LiCl高1.5倍和6倍。对于乙基乙酸和卤代烃类化合物，其吸收能力分别比LiCl高2.5倍和11倍。对于芳香烃类化合物，其吸收能力分别比LiCl高4.5倍和37倍。而脂肪族化合物则未被检测到。

这些发现表明，饱和盐溶液显著限制了VOCs的吸收，特别是对非极性化合物。高极性和离子强度的结合导致了显著的盐析效应，减少了VOCs的溶解性。这种现象与离子强度和溶解度之间的关系相关，反映了VOCs在盐溶液中的亨利定律常数升高。因此，VOCs在盐溶液中的溶解行为受到离子强度和溶质极性的影响。

在实际应用中，使用实验室蒸馏装置从饱和盐溶液中提取水，模拟了使用太阳能加热或热交换进行水提取的实际情况。实验结果表明，第一个5 mL的提取液含有显著更多的VOCs，比第二个5 mL提取液和原始饱和溶液中的含量更高。这表明，在提取的早期阶段，VOCs的释放和随后的冷凝可能导致了水的富集，因此，建议在提取过程中丢弃最初的提取部分以减少污染并提高水的质量。

然而，在常规条件下，最终提取的水中的VOCs含量相对较低，且随着提取的继续，这些化合物的浓度进一步降低。尽管如此，对有害VOCs的常规检测仍然至关重要。特别是对具有严格监管限制的极性化合物，如二氯甲烷，以及常见的空气污染物如氨，这些化合物可能会超过水质标准。因此，需要特别关注这些污染物在取水过程中的行为。

综上所述，这项研究展示了基于吸湿性盐类的吸附式大气取水（SAWH）方法在水质方面的优势。这些系统产生的水含有极低浓度的挥发性有机化合物（VOCs），即使在典型的工业和城市空气污染水平下也是如此。与其他常见的取水技术相比，如主动式取水装置（AWG）和露水收集，吸附式方法在VOC污染方面表现显著更低。此外，研究还发现，只有极性VOCs或能够形成氢键的化合物在高浓度空气中被检测到，这表明高极性的饱和盐溶液在抑制非极性化合物的溶解方面起到了关键作用。研究还指出，在不同的取水机制中，VOCs的污染情况可能有所不同，因此需要进一步研究其他干燥剂材料，如金属有机框架、氧化铝、沸石和气凝胶，以确定其对取水质量的适用性。