大气水分收集器制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】大气水分收集器(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；NorbertStock，金属-有机骨架：铝基骨架(Metal-OrganicFrameworks: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，所述系统包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大气水分收集器系统，其包括：/n水分吸附单元，其包括：/n包含绝缘材料的绝缘隔室，以及/n位于水分吸附单元的顶部、绝缘隔室上方的托盘，/n其中，所述托盘含有水捕获材料，/n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/n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/n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/n具有盖的水分收集箱，/n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，/n其中，所述水分收集箱是透明的，/n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/n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。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180205 US 62/6266751.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：O·M·亚吉，F·法蒂赫，M·J·卡尔穆茨基，E·A·卡普斯汀，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US