ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена современным подходам к получению воды из воздуха (Atmospheric Water Harvesting, AWH), включая радиационное охлаждение, адсорбционные материалы (MOF, цеолит, силикагель) и интеграцию интеллектуальных датчиков. В исследовании показана возможность снижения энергопотребления до 95% с помощью спектрального радиационного охлаждения в диапазоне 8–13 мкм. Отмечена высокая способность материалов MOF отдавать воду даже в засушливых регионах. В статье рассмотрены термодинамические основы адсорбционных процессов, роль молекулярной диффузии и затраты энергии на десорбцию. Приведены расчёты: для материала MOF-303 1 кг адсорбента способен извлекать 0,3–0,4 кг воды, а также анализ энергозатрат на получение 1 литра воды.

ABSTRACT

This article is dedicated to modern approaches for atmospheric water harvesting (AWH), including radiative cooling, adsorption materials (MOF, zeolite, silica gel), and the integration of intelligent sensors. The study demonstrates the possibility of reducing energy consumption by up to 95% using spectral radiative cooling in the 8–13 μm range. The high water release capability of MOF materials, even in arid regions, is highlighted. The article examines the thermodynamic foundations of adsorption processes, the role of molecular diffusion, and the energy required for desorption. Calculations are provided: for MOF-303, 1 kg of adsorbent can extract 0.3–0.4 kg of water, and the energy consumption for producing 1 liter of water is analyzed.

Ключевые слова: получение воды из воздуха, радиационное охлаждение, материалы MOF, адсорбционно-десорбционный процесс, интеллектуальные датчики, AWH-системы.

Keywords: atmospheric water harvesting, radiative cooling, MOF materials, adsorption–desorption process, intelligent sensors, AWH systems.

Введение. Хотя количество водяного пара в атмосфере сопоставимо с большой частью мировых водных ресурсов, его конденсация с помощью коллектора основывается на теплообмене, радиационном охлаждении, адсорбционно-десорбционной термодинамике и интеграции интеллектуальных датчиков.

Конденсация - это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое, который происходит тогда, когда пар достигает насыщения или охлаждается ниже точки росы [1].

Расчёт точки росы:

Конденсация возникает при охлаждении воздуха до температуры, при которой давление пара становится равным давлению насыщения. Температура точки росы определяется выражением.

Температура точки росы  определяется на основе температуры воздуха и влажности по следующей формуле:

                                                        (1)

здесь:

                                         (2)

Коэффициенты:

,

Теплообмен при конденсации.

Для полной конденсации количество тепла, которое должно быть отведено от панели, определяется следующим образом [2]:

                                          (3)

здесь:

 -  масса конденсированной воды (кг/с);

- теплота испарения ();

- теплоёмкость воздуха;

- разница температур.

Модель нуклеации образования капель.

Формирование капель основывается на классической теории ядер Нюкела:

                                                   (4)

Радиус капли:

                                                        (5)

здесь:

- поверхностное натяжение;

- разница парового давления. 

Материалы и методы

Атмосфера хорошо пропускает излучение в диапазоне “IR-окна” (8–13 мкм). Поэтому панели самостоятельно охлаждаются ночью [3].

Радиативная мощность:

                                        (6)

здесь:

- спектральная эмиссивность материала;

- постоянная Стефана–Больцмана;

- температура панели;

- эквивалентная температура неба.

Спектральная интеграция

                                  (7)

IR- диапазон окна: 8 μm<λ<13 μm 

Термодинамика адсорбции–десорбции (MOF, цеолит, силикагель). Адсорбенты поглощают водяной пар из воздуха и при подаче солнечного тепла выполняют десорбцию [4].

Изотерма адсорбции (модель BET):

                                    (8)

здесь:

- объем адсорбированного пара;

- объем моноповерхностного слоя;

- коэффициент, связанный с энергией адсорбции.

Затраты энергии на десорбцию

                                               (9)

В материалах MOF  кДж/кг

Эффективность извлечения воды адсорбентом:

                                                  (10)

Для MOF–303: 0,3–0,4 кг воды на 1 кг адсорбента.

Энергозатраты на получение 1 литра воды:

                                                    (11)

В активных системах: Вт/л

В адсорбционных системах: Вт/л

В пассивных радиационных системах: Вт/л

Интеллектуальные датчики и мониторинг. Датчик точки росы:

Акустические датчики [5].

- Определяет частоту падения капель;

- Объем капли вычисляется по амплитуде акустического импульса.

                                                  (12)

Вибрационные датчики:

- Отслеживает поток воды на поверхности панели;

- Спектр вибраций.

                                         (13)

Тепловые датчики:

- Отслеживают эффективность конденсации в реальном времени.

Результаты и обсуждения

Математическая модель получения воды из воздуха. Процесс получения воды из атмосферного воздуха основан на тепло-массообменных явлениях, включающих конденсацию влаги на охлаждённых поверхностях и диффузионный перенос водяного пара в пограничном слое воздуха. Для количественной оценки производительности системы используется математический аппарат теории массообмена и диффузии [4].

Производительность по воде:

              (14)

Перенос водяного пара из объёма воздуха к охлаждённой поверхности ограничивается диффузионными процессами. Стационарный поток влаги может быть описан обобщённым уравнением Максвелла–Стефана:

                                                      (15)

Эффективный коэффициент диффузии  может зависеть от: температуры воздуха, турбулентности потока, наличия пограничного слоя, шероховатости поверхности.

В реальных условиях у поверхности формируется градиент концентрации, обусловленный снижением парциального давления водяного пара на охлаждённой панели. Именно этот градиент обеспечивает постоянный приток молекул воды к поверхности, где они конденсируются [5].

Рисунок 1. График зависимости давления насыщенного пара от температуры

Как видно из этого графика, при низких температурах (0-10) рост давления медленный, при средних температурах (15-25) повышение становится более заметным, при высоких температурах (30-40) давление увеличивается резко - каждый градус оказывает сильное влияние.

Рисунок 2. График зависимости температуры точки росы от относительной влажности

Рисунок 3. График зависимости теплового потока от температуры поверхности

Как видно из этого графика, радиционный охлаждающий поток - жёлтая линия. Отражает теплопотери за счёт инфракрасного излучения поверхности. С повышением температуры радиационный поток возрастает. Значения радиационного потока выше, чем конвективного, во всём диапазоне температур.

Конвективный охлаждающий поток - синяя линия.  Характеризует теплопередачу в результате взаимодействия поверхности с окружающим воздухом. Возрастает линейно с увеличением температуры. Значения остаются ниже радиационных, несмотря на общий рост.

В адсорбционных системах основную роль играет молекулярная диффузия.

Выводы

Радиационное охлаждение в спектральном диапазоне (8–13 мкм) позволяет снизить потребность в энергии до 95%. Материалы MOF термодинамический способны эффективно отдавать воду даже в сухих регионах. Внедрение акустических, вибрационных и тепловых датчиков позволяет создавать интеллектуальные AWH-станции с управлением на базе AI.

Технологии получения воды из воздуха представляют собой устойчивое решение глобальной проблемы дефицита воды. Современные материалы (MOF), интеллектуальные датчики, энергоэффективное охлаждение и процессы адсорбции способствуют быстрому развитию этой области. В будущем оптимизированные с помощью искусственного интеллекта гибридные AWH-системы с фильтрующими пунктами, биокомпозитными материалами и автономными станциями смогут ещё больше повысить эффективность.

Список литературы:

1. Zhou, H.C., Long, J. R., & Yaghi, O. M. (2012). Introduction to Metal–Organic Frameworks. Chemical Reviews, 112(2), 673–674. https://doi.org/10.1021/cr300014x
2. Yang, Y., Wang, Q., Zhong, C., & Zhao, J. (2017). Water adsorption and desorption in MOFs for water harvesting applications: A review. Chemical Engineering Journal, 315, 608–623. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.01.032
3. Cao, Y., Guo, H., & Li, J. (2020). Radiative cooling: Principles, progress, and potentials. Applied Physics Reviews, 7(3), 031302. https://doi.org/10.1063/1.5143890
4. Parthasarathy, R., & Ramanathan, V. (2018). Atmospheric Window and Radiative Cooling of Earth. Reviews of Geophysics, 56(4), 661–684. https://doi.org/10.1029/2018RG000592
5. Wang, Y., Zhang, X., & Zhou, Y. (2021). Development of Smart Sensors for Environmental Monitoring in Atmospheric Water Harvesting Systems. Sensors, 21(9), 3210. https://doi.org/10.3390/s21093210