Введение

Устройство для извлечения питьевой воды из влажного воздуха. Атмосферный генератор воды (АВГ) – это устройство, которое извлекает воду из влажного окружающего воздуха, производя питьевую воду. Водяной пар в воздухе может быть извлечен путем конденсации, охлаждая воздух ниже точки росы, с помощью осушителей, используя мембраны, пропускающие только водяной пар, собирая туман или путем повышения давления воздуха. АВГ полезны в местах, где получение питьевой воды затруднено, поскольку вода всегда присутствует в окружающем воздухе. АВГ может требовать значительных энергозатрат или работать пассивно, используя естественные перепады температур. Исследования в области биомимикрии показали, что жук Onymacris unguicularis обладает естественной способностью выполнять эту задачу.

История

Инки могли поддерживать свою культуру выше границы осадков, собирая росу и направляя ее в резервуары для последующего использования. Исторические записи свидетельствуют об использовании водоулавливающих сетчатых ограждений от тумана. Эти традиционные методы обычно были полностью пассивными, не требовали внешнего источника энергии и основывались на естественных перепадах температуры. Воздушные колодцы – один из способов пассивного сбора влаги из воздуха. Технология извлечения соленой воды была заказана армией и флотом США у компаний Terralab и Федеральное агентство по управлению чрезвычайными ситуациями (FEMA). Программа DARPA по извлечению воды из атмосферы направлена на разработку устройства, способного обеспечить водой 150 солдат и переносимого четырьмя людьми. В феврале 2021 года компания General Electric получила 14 миллионов долларов на продолжение разработки своего устройства. В 2022 году был продемонстрирован осушитель на основе целлюлозы и камеди конжака, который производил 13 л/кг/день (1,56 галлона/фунт/день) воды при влажности 30% и 6 л/кг/день (0,72 галлона/фунт/день) при влажности 15%.

Технологии

Наиболее распространены системы, основанные на охлаждении, в то время как гигроскопические системы демонстрируют многообещающие результаты. Гибридные системы сочетают в себе адсорбцию, охлаждение и конденсацию.

Конденсация охлаждения

Конденсационные системы являются наиболее распространенной технологией. Атмосферный генератор воды (AWG) конденсационного типа использует компрессор для циркуляции хладагента через конденсатор, а затем испаритель, который охлаждает окружающий воздух. Когда температура воздуха достигает точки росы, вода конденсируется и собирается в коллекторе. Вентилятор прогоняет отфильтрованный воздух через испаритель. Система очистки/фильтрации поддерживает чистоту воды и снижает риск, связанный с окружающими микроорганизмами. Скорость производства воды зависит от температуры и влажности окружающей среды, объема воздуха, проходящего через испаритель, и способности машины охлаждать его. Эффективность AWG повышается с увеличением относительной влажности и температуры воздуха. Как правило, конденсационные AWG не работают эффективно при температуре окружающей среды ниже 18,3 °C (65 °F) или относительной влажности ниже 30%. Экономическая эффективность AWG зависит от производительности машины, местных условий влажности и температуры, а также стоимости электроэнергии. Эффект Пельтье в полупроводниковых материалах предлагает альтернативную систему конденсации, в которой одна сторона полупроводника нагревается, а другая охлаждается. В этом случае воздух принудительно подается через охлаждающие вентиляторы на холодной стороне, что снижает его температуру. Твердотельные полупроводники удобны для портативных устройств, но это компенсируется низкой эффективностью и высоким энергопотреблением. Производство питьевой воды можно повысить в условиях низкой влажности, используя испарительный охладитель с подачей солоноватой воды для увеличения влажности. Особый случай – генерация воды в теплицах, поскольку воздух внутри значительно теплее и влажнее. Примерами служат морская теплица в Омане и теплица IBTS. В осушительных кондиционерах непитьевая вода является побочным продуктом. Относительно холодный (ниже точки росы) испаритель конденсирует водяной пар из обрабатываемого воздуха. При питании от электроэнергии, произведенной на угольных электростанциях, он имеет один из самых высоких углеродных следов среди источников воды (превышающий опреснение морской воды методом обратного осмоса на три порядка величины) и требует более чем в четыре раза больше воды на протяжении всей цепочки поставок, чем он поставляет пользователю. Вероятно, наиболее эффективным и устойчивым методом является использование адсорбционного холодильника, работающего на солневом тепле, который превосходит системы, работающие от фотоэлектрических элементов. Такие системы также могут быть полезны для утилизации отработанного тепла, например, для насосного оборудования или для работы в ночное время, когда влажность обычно повышается.

Гигроскопия

Гигроскопические методы извлекают воду из воздуха посредством абсорбции или адсорбции. Эти материалы высушивают воздух. Осушители могут быть жидкими ("влажными") или твердыми. Для повторного использования воды их необходимо регенерировать (обычно термически).

Мокрые осушители

Примеры жидких осушителей включают хлорид лития, бромид лития, хлорид кальция, хлорид магния, формиат калия, триэтиленгликоль и [EMIM][OAc]. Другим влажным осушителем является концентрированный рассол. Рассол поглощает воду, которая затем извлекается и очищается. Одно портативное устройство работает от генератора. Большие установки, монтируемые на прицепах, производят до [укажите количество] воды в день, в соотношении до 5 галлонов воды на галлон топлива. Другая модификация заявляет о большей экологичности, поскольку использует пассивную солнечную энергию и гравитацию. Концентрированный рассол стекает по внешней стороне башен, поглощая водяной пар. Затем рассол поступает в камеру, где подвергается частичному вакууму и нагреву, высвобождая водяной пар, который конденсируется и собирается. По мере удаления конденсированной воды из системы под действием силы тяжести создается вакуум, который понижает температуру кипения рассола.

Твердые осушители

Силикагель и цеолит осушают сжатый воздух. Ведутся разработки устройств для непосредственного получения питьевой воды с использованием солнечного света. Для получения 1 литра воды одному из таких устройств требуется [время/определенное количество] времени. Оно использует циркониевый/органический металлоорганический каркас на пористой медной основе, закрепленной на графитовом субстрате. Солнце нагревает графит, высвобождая воду, которая затем охлаждает графит.

Топливные элементы

Автомобиль на водородных топливных элементах вырабатывает один литр питьевой воды на каждые 12,87 километра пути, объединяя водород с кислородом из воздуха.

Мощность

[[Файл:По крайней мере работа AWH. png|thumb|Минимальные энергозатраты на сбор атмосферной воды

Гидрогели могут использоваться для улавливания влаги (например, ночью в пустыне) для охлаждения солнечных панелей или для производства пресной воды, в том числе для орошения сельскохозяйственных культур, как это демонстрируют интегрированные системы солнечных панелей, где они размещены рядом с панелями или под ними внутри системы. Одно исследование показало, что такие устройства могут обеспечить питьевой водой миллиард человек, хотя автономное производство электроэнергии может "затруднить развитие постоянной трубопроводной инфраструктуры".