专利名称：从空气中提取水的制作方法
从空气中提取水说明书世界上对优质饮用水的供应是显著不足的。根据官方估算，世界上约I’ 500百万人没有足够品质的饮用水。每8秒种就有一个儿童因为饮用了被污染的水而死亡。迫切需要为人类提供饮用水，尤其是在干旱地区。为了补偿雨水不足，已经引进了各种技术。在沿海区域，以高成本通过多级蒸馏或者通过反渗透从海水中来获取水。工业规模上生产的水要求高的投资的基础设施和操作连同能量。这些系统不能在内陆使用，在这里海水和苦咸水是不可得的。来自大规模生产的水必须通过一个管系统进行分布，该管系的费用比水本身的生产高出多达十倍的费用。另外，该水在其达到最终使用者之前可能通过管线破裂或者其他缺陷而被污染或者部分损失掉。该系统不适合用于大部分的人烟稀少的内陆区域。因此，存在迫切的需要来找到一种替代的、方便的且成本低的用于人类的清洁水源是。同样对于用于农业利用的水的供应存在着迫切需要。空气湿度潜在地是一种非常有前景的清洁水源。这种潜在性是巨大地未知的，因为人们并未了解到多么巨大的水被以水蒸汽的形式包含在薄薄的空气中。在正常条件下，一立方千米的空气包括了足以构成一条I’ OOOm长15m宽且Im深的河流的水。这个水量(15’ 000’ 000升)相当于5百万人的每天饮用水的供应。地球上存在无限的湿空气供应。甚至在干燥的地方，诸如平均湿度为百分之30的相对湿度(RH)的撒哈拉，每立方千米的空气就包含了一条I’ OOOm长3m宽和Im深的河流！这个空气湿度由来自海洋的风不断地进行更新，并且因此不会枯竭。空气包含了与我们的行星的所有河流中所携带的水相比较多10倍的水，并且空气是地球上的一种无限的清洁水源。所有陆地水都是起源于空气湿度的沉淀。已经做出许多努力来从空气中获得水。呈蒸汽形式的水具有与呈液体形式的水相比高得多的能量并且其冷凝是一个强烈放热的过程。通过冷却、空气压缩、在固体吸附剂上吸附、在液体吸附剂上吸附以及在文献中提出的许多其他方法来尝试从空气中回收水。使用使液体或固体干燥材料的方法例如在中美国专利号2’ 138’ 689、美国专利号2’ 462’ 952、美国专利号4’ 146’ 372、美国专利号4’ 185’ 969、美国专利号4’ 219’ 341、美国专利号4’ 285’ 702、美国专利号4’ 304，577、美国专利号4’ 342’ 569、美国专利号4’ 345’ 917、美国专利号4’ 374’ 655、美国专利号6’ 588’ 225、美国专利号20050103615、法国专利号2’ 813’ 087、WO专利号09966136、WO专利号106649中进行了说明。太阳热经常被用于水的脱附。因为水的蒸发热是550kcal/kg，所以使用其他能量源将会是过分昂贵的。诸多发明人试图恢复该过程中的能量。然而，这要求另外的设施并且产生了费用的增加。所忽略的不过是以下事实，即，代替水的不足，太阳能是广泛地无成本就可获得的，而资金却是不可得的。所尝试的这些方法没有一项在以任何显著规模生产用于贫困人口的干净水的方面获得成功。主要的原因是所有的测试方法都是昂贵的、复杂的，要求大的投资的基础设施和能量，给出了低的产量。最终使用者，尤其是贫困国家中的，不能够负担起昂贵的引用水。人类要求一种用于从空气中采收清洁水的适合方法。此类方法必须是简单而可靠的。该方法应该以用于村庄或者甚至用于家庭的分散小单元来起作用，而无需昂贵的管道系统。应该不要求任何化石能量。它应该是容易维修的，甚至由未受教育的人们，并且是用容易获得的材料构建在地方上的。另外，该方法应该决不污染环境，即使在犯错或意外的情况下。它应该不会危及使用者，甚至是在系统的使用中有严重错误的情况下。该方法对于有仅小学教育的人们而言应该是容易地可理解的。它应该在用水的地方上或者靠近用水的地方进行操作，并且以这样的方式消除对于昂贵的管系和基础设施成本的需要。出人意料地，我们已经成功发明了这样一种方法和结构，该方法和结构在此进行了披露。用于从空气中采收水的装置和方法空气中的水量根据条件而变化，在热湿地区成分从每立方米Iml的分数到超过30ml。水提取的最有效方式是将水蒸汽吸收到一个吸湿液体中。这样一个过程自然地发生并且不需要任何要求昂贵的结构和大的投资的大量的空气的主动排气(activedisplacement)。液体吸附剂具有大的水结合能力并且能够容易地被转移。它们选择性地吸收水蒸汽而不吸收其他空气污染物以及污染物质。在吸湿液体下，理解为任何吸水液体。它可以是任何液体物质或者固体物质的水溶液。此类物质例如是无机盐，诸如氯化锂、溴化锂、氯化钙、乙酸钾、以及其他物质。适合的还有有机物质，尤其是二羟基醇、三羟基醇，诸如乙二醇、甘油、以及其他。然而，这个清单并非限制本发明的范围，因为许多其他吸湿物质将会同样地起作用。特别优选的是甘油，它还以丙二醇为名称。其IUPAC名称为丙烧-1, 2, 3- 二醇。甘油是一种天然产物，它具有高的水亲和性。其大的优点是它不是有毒的-事实上它是可食用的！甘油作为来自玉米的生物燃料生产的废物以大的体积来获得。因此，其价格是非常低的。在最佳的条件下，它可以结合多于其本身重量的水。其水蒸汽吸附和脱附的速度很高。由于甘油溶液在其工作范围内的高渗透压，所以没有发生微生物引起的生物降解，甚至在暴露于环境中多月之后。出人意料地，这种甜溶液并没有吸引昆虫。甘油的另一个大的优点是在溢出或意外的情况下，它仍然保持在其表面上直到下一次下雨。在稀释的形式下，它然后在土壤中通过微生物进行降解。溢出的甘油不是一种污染物而是土壤中存在的微生物的一种受欢迎的营养物和能量源以及碳。它最终被生物降解成二氧化碳和水。因此，甘油可以甚至非常大规模的使用，而不会对环境有任何危害。这不是其中频繁地提出氯化锂和其他矿物盐的情况，该氯化锂和其他矿物盐在溢出后仍然存在于土壤中，其上植物不能够生长并且在雨后，它们仍然永久地保持在地下水中作为一种危险的污染物。为了消除对于任何昂贵且复杂的气团移动的需要，优选的是让空气与在一种容易获得的表面上的一种适当的水吸收剂接触。这种空气接触不是按任何方式强制进行的；就是使用了气团的自然循环，诸如空气对流和风。一种对流空气接触表面可以是很大的并且是容易获得的。这样的一个接触表面的实例可以是房屋的墙壁、屋顶的一部分、小山的斜面、浅池塘的表面等等。该表面应该是，如果可能的是，在阴凉处，或者可以方便地被掩盖着以防止太阳热减少水吸收的效率。在夜间进行水吸收时不需要盖子。夜间吸收在非常干燥的区域中是特别适合的，甚至在撒哈拉，在那里空气的相对湿度可以达到百分之100并且在冷表面上发生自动冷凝。当可以合宜地将甘油的含水溶液储存在例如土壤中的并且内衬有合宜的塑料片的大的容器、箱、混凝土池、池塘或沟槽的时候，该水提取然后可以有利地在白天进行。根据使用的具体地点，这些采收成两个阶段的水的这种分离呈现多个大的优点。为了展示和对比甘油和氯化锂的水采收能力，实施了以下实验:将4克百分之50的甘油或百分之20的氯化锂(两者的浓度与对应的水吸收物质的饱和度的一半相对应)铺展在25cm x25cm的表面并且0.4mm厚的棉花织物片上并且置于一个60摄氏度的静止空气保温箱中。重量变化遵循时间而变化。
图1中呈现的这些结果显示水从甘油更快地被释放出。这是不出人意料，因为甘油具有比LiCI更低的对水亲和性。于是，将以上经干燥的薄片悬挂在20.1摄氏度的房间中，该房间具有静止的空气以及百分之66的相对湿度RH。记录了重量的增加。获得的结果呈现于图2中。在两种情况下，水吸收的初速度是相似的。LiCI吸收了更高量的水。它具有在某种程度上更高的容量。然而，必须提及的是，在高浓度下LiCI具有高的粘度并且它可以不按这种状态在实际的设施中使用。水吸收的速度在静止空气中比在风中是低得多的。风大大地增加了水的吸收。风输送走水的量是巨大的。在正常条件下，水蒸汽在仅0.5m/秒的轻质空气移动下24小时穿过一个约2m xlm的被打开的门的量是等于约I’3001的水体积。LiCl连同其他吸湿盐是非常有腐蚀性的并且这往往导致对设施的长期的高腐蚀。另一方面，甘油是非腐蚀性的并且通过其水结合的能力，它实际上减少了腐蚀。容易获得的吸收装置可以通常理解为一个折叠晒衣绳，它是广泛地可获得的并且以低于100USD的价格获得并且可以按图3中所示来容易地自己制造。可以使用常见的由棉花或者任何其他适合的材料制成的布来建立一个60m的线，使用一个单层的120m2的吸收表面或者使用一个双层的240m2的吸收表面，。图3示出了一个简单的吸收设施的实例。容器I中的浓缩甘油(约百分之92到99)，置于一个在某种程度上升高的位置中，流过沿着晒衣绳4的线3来固定的管2。图4示出了一个更详细的视图，其中该管5穿过一个由织物8形成的管状开口 6。以有效地间隔开的距离，将管5切割或者刺穿以便允许甘油滴在织物上。制造到该硅氧烷或者橡胶管上的轻微切口将会形成对于甘油溶液而言压力敏感的开口通道。该纺织物通过缝纫、销钉、夹子或者其他装置7而被固定在位置中。优选的是将该纺织物8切割成约5cm到IOcm宽以及2m或4m长的条。此类条有效地降低了对由风产生的结构的力。条被固定在丙三醇配给管周围并且被悬挂在一个或多个层中。其下端是通过绳索、金属丝或者类似的材料而固定到底部上或者中央杆上。这防止了这些纺织品条在风中的过度移动。富含水的丙三醇溶液可以简单地收集在一个大的塑料片上。薄片9的床可以通过移除这些晒衣绳吸收剂下的土壤而制得，如图3中所示。可替代地，它可以用另一种材料进行构造。适宜的床还可以用在地方上可以找到的石头或者类似廉价的材料来制成。用于含水甘油的永久的安全容器可以用混凝土壁和底部制成。该表面可以通过一个保护层进行处理以便防止液体渗透入该混凝土结构中，并且因此保护该结构，减少甘油的损失并且有助于清洁和维修。关于如何修改这些要素以便获得令人满意的吸收装置，存在着多种明显的方式。基于所进行的小规模的实验，可以计算出来的是在足够的空气循环下，甚至通过这样小的一个非常简单的设施(具有的吸收表面为120m2)使用一个单织物层可以在24小时内采收约2501的水，并且在一个双织物层的形式下，可以采收约5001的水。这可以覆盖100到200人的群体对于饮用水的要求。这些线可以按许多其他的方式进行固定。例如，它们可以固定在墙壁、房屋、树木、木制或金属制的杆、岩石等等之间。每次，该液体收集沟道必须是通过适合的密封防水的衬层来提供的。可以通过许多不同的手段制成大得多的水采收结构，这些装置被适配为许多地位条件的并且它们是易于被本领域普通技术人员想到的。清楚的是，水在甘油中的吸收阶段可以按非常低的成本通过极其简单的装置来实现。人们无需任何特殊的专业教育就可以容易地构建它们。主要的成本因素将很有可能是吸收纺织品。一种新的方便的棉花织物或者塑料纺织品可以按几USD/平方米获得。然而，要求的仅仅是其条，因此，它可以用适合的用过的或回收的纺织品来制造，这将仅具有可忽略的成本。用于衬里的管线、管、以及塑料片典型地是低成本的到处可获得的商品。永久的吸收结构可以用钢或不锈钢网来制造。可以使用许多不同的衬里材料。它可以例如是一个以下材料的薄片:聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、PVC、聚碳酸酯、聚酰胺、PTFE、以及类似的氟化材料、常规浸溃的纺织的或非纺织的纺织品、浸溃的纸等等。薄的金属薄片明显地也是可使用的。衬里薄片的材料不是重要的。它应该仅仅具有必要的机械稳定性并且应该提供一个表面，该表面是紧密的以便防止水甘油溶液的损失。在含水甘油的安全容器是通过其他装置来满足的时候，则衬里是根本没有必要的。第二成本因素是甘油的价格，它现在是约lUSD/kg百分之99的纯物质。然而，无需纯的分离出的甘油并且粗制的百分之50到80的产物具有几乎零的价格。在美国，O到70USD/1’ 0001在植物上已经提供了按吨量获得的甘油。所得到的价格将主要依赖于到达使用的地点运输费用。甘油是几种化学工艺的副产物，例如肥皂生产的过程中，并且可以频繁地从本地的资源中获得。大量的甘油可以用于食物的生产(糕点、糖果、饮料)中。甘油还通常在许多化妆产品中用作一种良好的保湿剂，并且因此是广泛地可获得的。水吸收到甘油中的一个大的优点是其高的选择性。在致冷的冷凝系统中，大部分的空气污染物诸如芳香族物质、微生物、灰尘以及其他污染物可以全部与水一起冷凝。在此处披露的系统中，甘油，由于其对水分子的高度选择性及其亲水特征，最大化了污染空气的疏水分子的吸收。甘油对于水的高选择性是以下保证，即，所回收的水将会具有高的纯度。在制冷的冷凝系统中，水的品质类似于当地烟雾的冷凝物并且这样的水必须因此另外进行纯化。
从含水甘油溶液中回收水用于从空气中提取水的已知发明是相当复杂且昂贵的结构，这些结构要求很多的能量以及复杂的设备。根据本发明的技术是非常简单的且成本低廉的。它可以用从本地可获得的材料进行构造并且不要求任何特殊的结构和知识来使其运行和维修。关键部件是一个图5中所示的夹层结构，该结构由热传导材料10的加热片形成，例如一个金属薄层，该金属诸如是铝、铜、钢、不锈钢或者其他物质，该金属薄层在至少一侧上配备有一个光吸收层11以有效地将太阳能转化成为热量。这样的光吸收层可以例如由一个炭黑清漆层制成，该炭黑清漆层按在市场上可得的许多喷洒剂或者颜色配制品被提供。铬黑层所熟知的是其非常高的光吸收。它是具有非常低的光发射的良好的光吸收层。在铝和铜两者上可获得的光吸收金属的现代构成层，诸如TiNOXκ ，是由德国慕尼黑的Almeco-Tinox GmbH 生产的。简单地通过喷涂广泛可获得的黑色，优选亚光清漆就可以获得更便宜的且非常令人满意的光吸收层。优选的是厚度从0.05_到约Imm的非常薄的金属薄片。薄的薄片具有热传递速率高和成本低的优点。然而，薄的薄片不是机械稳定的并且因此，优选的薄片厚度是在0.1mm与0.5_之间。还可以使用非金属材料的薄片。在一个薄层中，在某种程度上减少的热传导不会对热传递表现出一个主要的障碍。在该夹层结构的下侧上是一个材料层12，该材料层是水和/或水蒸汽可渗透的，但是为甘油完全不可渗透的。在此，它还可以被称为甘油阻挡层。甘油在赛璐玢膜情况下的完全排斥和其对水的良好渗透性已经在科学文献中进行了描述(Biswas等人(2000)“使用全蒸发法对甘油-水混合物进行脱水:工艺参数的影响(Dehydration of Glycerol-WaterMixtures Using Perva poration:1nfluence of Process Parameters)，，,分离科学与技术(Separation Science and Technology),35:9， 1391-1408)。一种这样的材料例如是厚度在约2微米到200微米之间的赛璐玢薄层。优选的是厚度在5微米到25微米之间的薄片。该层越薄就越好，然而，必须注意此类赛璐玢阻挡层膜的机械稳定性。为了增加稳定性，该膜可以由另一种材料13进行支持，这种材料不需要阻挡甘油的通过。适当的材料中是由不同的聚合物制成的不同纺织的和非纺织的织物、毡、多孔膜，诸如一个开孔聚氨酯薄片的薄层。适合的支持材料还是稳定的纤维玻璃层、滤纸、薄垫，这些从许多供应商那可商购。与赛璐玢相比，明显地是还可以使用其他膜，这些阻挡了甘油的通过但是让水分子穿过。实例是纤维素的衍生物类，诸如乙酰纤维素(例如纤维素三乙酸酯)。作为反渗透中有效的膜材料已知的其他材料(诸如，聚酰胺)同样可以是有效的。用于此目的的适合膜例如是聚酯基底上的ePTFE层，诸如由英格兰的唐纳森过滤器部件公司(Donaldson Filter Components Ltd)生产的 Tetratex、κ 65381.5 微米的膜或者65361微米的膜。同样容易制得的是由不同的织物构成的选择性层，这些织物是通过一种处理被制成是疏水的或者甚至超级疏水的。用于织物、布匹、鞋子、皮革等等的许多类型的防水喷雾
剂是容易地可获得的。由几种薄膜诸如GORE-TEX 、Svmpatex 以及其他物质大规模
地生产了用于布匹的适合织物。
甘油阻挡层的关键特性是它不允许液相进入该材料的疏水结构中，但是呈水蒸汽形式的水可以自由地穿过它。可替代地，有可能的是通过本领域技术人员所熟知的适合方法通过其表面的化学改性来使得最初非疏水材料是疏水的。提及的一个实例是通过用甲基三氯硅烷以及其他取代的活性硅烷处理来永久地将呈细丝或者织物形式的不同材料进行疏水化，如在(济默曼(Zimmermann)等人的美国专利申请US2007/0264437A1)中描述的。又另一种可能性是通过聚合的取代的或者未取代的对二甲苯(还被称为Paiylene、fc)来涂敷多孔分离层的表面，如在美国专利申请US2002/0189455A1中说明的。
此种涂层是持久的、廉价的并且既疏水又疏油。它可以大规模地进行生产。同样适合的是一个疏水的、纳米结构化的硅石层，该层是按大的工业规模进行生产的。一个实例是德固赛(Degussa)烟雾的AEROSIL k' R974。在压实的多个层中，它具有优异的隔离和液体阻挡特性同时为水蒸汽提供高的渗透速率。在此提供的本发明不限于以上呈现的膜选择和改性实例，因为任何允许从含水液体中分离出水的其他层在所描述的系统中都将是有效的。甘油阻挡层还起到了热隔离器的作用。当防止了扩散热的损耗时，可以获得更高温度的含水甘油溶液。这导致了蒸发以及水生产率的增加。含水甘油14的溶液在加热的层与甘油阻挡层之间流动。为了使流动规则地穿过整个可得的空间，而不形成通道和流束，将该中间的空间用一个丝状层或者多孔材料15进行填充。使用相当厚的丝绒类型的织物或者其他松散纺织的织物获得了良好的分布特性，这些织物具有大的空隙体积。由玻璃或者塑料长丝制成的非纺织的毡是合宜的。必要地，任何允许液体相对自由流动和强烈毛细作用的材料是适合的。在此优选的是强亲水的材料，诸如具有类似品质的亲水棉花，如在药物中使用的用于覆盖伤口的棉花。许多由合成纤维制成的织物可以制成是亲水的。这增大了溶液甚至均匀地在夹层结构上且在该夹层结构两侧上的伸展。该甘油阻挡层或者直接与冷却器表面17相接触或者间接地通过隔离支持层16进行接触。该冷却器表面17优选通过一个薄的折状金属薄片形成的，在该薄片上该饱和的水蒸汽冷凝并且通过重力流出或者通过泵送作用通过一种适合的管道或管18的流入纯水容器中。不同的金属以及甚至非金属可以作为冷却器表面来起作用。必要的是它与该甘油阻挡层相接触并且是紧密的，另外，水蒸汽可以逃逸到环境中，并且该系统的生产率将会降低。冷凝的水然后从该冷凝器流入一个包装容器中。该水容器应该优选被置于夹层结构中的一个更低的水平处(例如，被埋在土壤中)。泄出的水的柱将会，通过其静液压力，而减少该冷凝器中的压力。这将增大水蒸汽穿过甘油阻挡层的流动，并且略微降低水的沸点，由此增大在给定的温度下在平衡下的水蒸汽的浓度。另一方面，当该容器被埋在地面中时，所获得的水将在储存过程中保持冷却。该夹层结构中降低的压力允许外部空气压在夹层结构上并且因此保持所有的层在一起，而无需任何其他机械装置。通过抑制含水甘油的流入，含水甘油在甘油阻挡层另一个侧上的流动应该同样地保持在某种程度上的减压下。这防止了丙三醇阻挡层上模块的破裂(blowing up)以及过度压力的形成。冷却器17可以是用具有不同形式的结构制成的。图5中呈现的这个仅仅是许多可能形式中的一种并且没有限制本发明的范围。冷却通过与周围空气或者自然环境中的风19的接触而发生。外部冷却剂表面上的温度将自然地低于经加热的表面的温度并且因此，水冷凝将会有效地发生。大多数的时间，将会在冷却器的周围存在着足够的空气移动，通过风并且甚至没有风的情况下，自然热对流将会提供对冷凝热量的足够移除。冷却器的一侧将总是处于上述夹层结构的上部部分的阴影之中。这种行动的方式与通过强制冷却空气循环的其他方法相比是非常经济的。有利的是通过提供图5中所示的一个或多个隔离层来增大加热侧的温度。隔离的效果通过给至少一个或多个室提供受限制的空气对流和循环来获得。在最简单的形式中，这样一个室由一个框架20构成，该框架在上侧上覆盖有一个透明材料薄片
21。此类材料可以是一种玻璃薄片或者透明的塑料薄片或者薄膜。玻璃是机械稳定的且是一种更耐久的材料，然而它会容易破裂并且是相当昂贵的。存在着许多类型的透明塑料薄膜，这些薄膜可以替代玻璃来使用。该材料应该具有对于太阳辐射而言可接受的稳定性并且尽可能的是透明的。适合的薄膜材料是聚丙烯、聚酯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯、氟化材料，诸如氟化乙丙烯(FEP)，以及许多其他物质。取决于具体的本地条件，该材料将是最适合的。同样地前侧上玻璃层以及在第二隔离层上合成薄膜的组合会是适合的。尽管塑料薄膜具有低的成本，但是玻璃在这种情况下给出了更佳的机械保护并且允许很容易清洁，如果需要的话。存在必须达到的某一程度的折中。各个隔离层带来了隔离效率的增大，而同时降低了太阳辐射22的产率。在许多情况下，最有利的方案将是一个到三个隔离层。可以理解的是该系统将同样地不用任何隔离就起作用，但是水的产率将是更低的。在最终的决定之前必须做出成本和利益分析。在此披露的结构和工艺的所有描述部件可以方便地置于一个框架23之中，这将会提供必要的机械稳定性。然而，也可以预见其他解决方案。当其他能量源是可获得的时候，例如来自太阳能电池板的电力或者来自其他来源的能量，它们也能够得到使用。在这种情况下，图6中所示，适合功率的加热螺旋物24被固定在该加热薄片的上方或者甚至被整合到该加热的表面中。为了防止热损失，这种加热器通过一个适合的隔离层25进行隔离。热量可以替代地同样地由太阳能生产的热水或者其他热源来供应。例如，热水可以非常廉价地由黑双层垫来生产，这些垫被置于屋顶、山腰、石头、沙丘等等上。在暴露于太阳中的两个黑塑料薄膜层之间，可以获得超过100摄氏度的温度。这因此可以代表一个受欢迎的、廉价的且丰富的能量源，用于从含水甘油中回收水。图7中可见本发明在此披露的一种可能构型的示意表示。具有约百分之95甘油26的浓丙三醇溶液的容器被置于一个升高的位置上的某处(例如一个屋顶上)。允许甘油按照受控的流量来流动，这些流量是例如通过织物薄片28上的一个夹子或者阀门27来进行调节的，同样如图4中所描绘的。在流动过程中，甘油从风或空气对流29带来的空气湿度中汲取水分并且落入容器30中。从该容器中，该含水甘油通过重力或者通过泵送流入先前描述的水分离结构31中。例如，通过太阳32将该甘油溶液加热到一个温度，该温度可以达到80摄氏度或者甚至更大。这强制在该含水甘油溶液中包含的水蒸发。水蒸汽穿过甘油阻挡层33并且在冷凝器34的冷表面上冷凝。从该冷凝器中，冷凝水流入纯水收集容器35中。浓缩的甘油溶液从水分离模块31中流动并且被收集在一个容器36之中。然后它被转移回到容器26之中，或者手动地或者通过一个泵。在廉价劳动力存在的地方，不需要为系统制造另外的添加物。然而，明显的是，所有的流动都可以被高度自动化并且使用泵、阀门来进行控制，这样就无需让人看管。在太阳辐射检测器、温度的和湿度计以及风速计的组合之中，该系统可以非常有效地自动进行调节并且使用微处理机以及方便的程序将其输出进行优化。这增加了运行和维修的成本，但是节省了人的工时。紧凑的整合的水回收模块根据本发明另外一个可能的实施例，如图5中所示，可以通过一个水回收卡座结构来实现，该结构如图8和图9中所呈现的:一个夹层元件是通过两个金属薄片来形成的(例如,一个0.1mm到0.5mm厚度的招薄片)，在这两个金属薄片上已经形成了多个纵向的，优选是正弦波的凹槽37。这些凹槽的内径可以在一个宽的范围内进行选择。在本实例中，这些凹槽具有1.5_的内径。此类开槽板的最终尺寸可以例如是50cm x50cm。凹槽可以是通过在两个圆柱体之间穿过一个金属薄片而容易地制成的，在这两个圆柱体上已经机加工出了相对的齿轮廓。该齿轮廓平行于圆柱体轴线而伸展。合宜的轮廓通常是在齿轮或者齿状轮的成批生产中进行机加工的，并且是本领域普通技术人员所熟知的。应理解，不同形状(例如，抛物线形的或者三角形的)和形式的轮廓可以用于本发明的范围之内。还有可能的是使用一个扁平的金属薄片并且通过其他在该模块内侧上的装置形成多个通道。一个波动的表面是特别适合的，因为它给出了对于含水甘油的流动和冷凝水的流动而言最小的阻力。这样一种结构还有效地消除了空气泡，倘若它们在脱水开始或者在脱水过程中形成的话。波动的表面通过限制太阳辐射的反射(尤其是在低角度的太阳射线处)方便地增大了太阳辐射的吸收。这个热传递的表面同样得到增大并且热传递与在平坦的结构中相比是更高的。波动还显著地增大了表面在凹槽的方向(sense)中的机械稳定性，并且因此，需要更少的材料就获得相同刚度的薄片。该开槽的薄片装配有一个甘油阻挡膜38，该甘油阻挡膜被胶粘在该开槽的薄片的两个末端39处，如图8中示出的和图9中详细示出的。这些开槽的薄片的末端形成了多个管40并且被密封了 41。在各个开槽薄片42上的第一和最后一个凹槽同样地被胶粘了以便防止组装结构中含水甘油和冷凝水的泄露。合宜直径的硅氧烷管(未示出)被胶粘到下部开槽薄片的两个管末端40中并且形成了用于在一侧进入含水甘油溶液的进口，以及在另一层上流出的含水甘油溶液的出口。
这些相对的未用的管状开口 43还可以例如通过一个硅氧烷胶进行密封。可以使用任何类型的胶，该胶具有与金属结构的良好粘附。优选的是常见的硅胶，诸如用于对窗户、玻璃钢、卫生设备等等的玻璃片进行密封的那些。对于甘油输入和输出仅要求两个开口，以及用于冷凝水的一个输出开口。然而，还有可能的是将硅管胶粘到所有的管状结构中并且将它们夹紧。它们可以然后例如用于模块的清洁或吹扫，如果必要的话。含甘油的溶液流入这些凹槽中，这些凹槽是由开槽金属薄片的上部薄片形成的，该开槽金属薄片带有多个垂直于下部开口薄片的凹槽进行定向的凹槽，并且该开槽金属薄片被固定且密封到下部开槽薄片的圆形管状边缘中。这种密封做出的方式为:通过两个开槽的金属薄片形成的、由甘油阻挡膜分开的两个室，不是连通的并且还是朝向外侧空间闭合的。所描述的两个开槽薄片的构型(具有垂直于彼此的多个凹槽)产生了两组开放的通道并且显著增大了此种夹层结构的机械稳定性。该甘油溶液就在上部黑色开槽板的表面(被太阳照亮)之下流动并且进入下部空间中该甘油阻挡膜之下，并且冷凝水在多个与上部开槽板的这些凹槽相垂直的凹槽中流动。它通过一个出口管(未示出)离开了该结构并且被胶粘到圆形的管44中。在一个优选的实施例中，该模块是通过框架进行装配的，在框架上固定了多个与图5中那些类似的热隔离元件。本领域的普通技术人员将会看到这样做的许多不同可能性。将所描述的夹层结构整合到具有热隔离层的框架中使得该系统机械地稳固。另一方面，它还使得所描述的结构简便地用于分离的用途。许多这类机械强化的卡座可以置于图10中呈现的相似的金属构造上。在这个实例中，48个模块可以靠着彼此进行放置。这提供了相当大的水生产能力。如初期描述的，同样地该夹层系统应该在与环境的空气压力相比略低的压力下进行操作。这自然地将夹层的两侧推在一起，使得不要求补充的支持结构。通过借助输入和输出通道之间的水平而设置的静液压力变化可以容易地实现一个合宜的压力差。这是明显的并且是本领域普通技术人员所熟知的。在实验室条件下通过未优化的模块的生产力基于每平方米表面上太阳供应的能量，每10小时生产的最大水量应该是约14.41。事实上，这个数字将更低。在人工实验室条件下，在一个非优化的系统中十个小时期间达到的水产量是7.81。所预期的产率将是更低的，尤其是如果该系统是静止的并且不追踪太阳的轨迹的话。太阳追踪系统是可获得的，然而，因为干旱地区表面费用总体上是非常低的，将更加经济的是增加生产水的板表面来补偿不追踪太阳轨迹的太阳能损失。就在使用的地方上通过在此提供的结构从空气中采收的引用水通过根据本发明的结构从空气中采收饮用水同时解决了几个主要的问题:-它甚至在其他水供应是不可得的地方提供了饮用水。这允许进入新的可能不是之前有人居住的区域。-它覆盖了世界上大的农村人口的高品质饮用水的本地要求。因此，它降低了从饮用污染水产生的高发病率。-它提供了最高的水品质，由于两个高度水选择步骤(S卩，甘油的水合以及蒸馏过程)的组合。这有效地减少了化学、机械以及细菌的污染。-它不要求长距离水供应管道，该管道在贫困国家中是极其昂贵的并且难以保持干净并且需要昂贵的维护和修理。-它是廉价的并且仅具有不复杂的工作设备-它对于使用者和环境而言是无害的除非该系统被破坏了，它应该原则上供应通过其他方法不可获得的品质的未污染的水。该系统中的缺陷和漏洞通过与水输出软管上的纯水相混合的甜味甘油而容易地识别出。甚至在这种情况下，该饮用水对于使用者而言不是危险的。这种水中后续微生物生长的危险类似于在开放瓶子中其他甜饮。通过在此披露的系统生产的饮用水并不包含溶解盐的事实，对于使用者而言不是一个缺点，因为这些微量元素通常大大过量地在食物中供应。这同样在世界卫生组织的2004 年第 I 卷第 3 辑中的“饮用水品质指南(Guidelines for Drinking-water Quality)”中得到确认。由在此提供的结构从空气中提取的水的农业用途因为根据本发明的系统是非常简单的并且以低成本提供了清洁的、无盐的水，所以它还可以被用作农业中的水源。通过每平方米所披露的板为51水的平均生产力的计算，给出了一个l’825mm/m2的年降水量当量。这对应于地球上降雨非常多的区域的降雨量。许多农作物可以在年降雨量小于500_的地方生长。因此，根据本发明的水生产板每平方米能够浇灌几平方米的田地。如果从空气中提取的水另外供应给对应区域中的降雨，那么每平方米板的可耕作地的表面将会增加甚至更大。典型地，植物使用小于百分之3的供应水用于它们的代谢。水的绝大部分，实际上全部的地表水，蒸发到了空气中并且没有主要用于植物。因此，在地表上或者靠近土壤表面上不应该进行灌溉，但是如果可能的话，在表面下低于约30cm。在那里，它将是植物的根可得的并且将不会通过蒸发而直接损失到大气中。植物使用了用于蒸腾作用的大量的水。植物被暴露于强烈的太阳辐射中；尽管它们的叶子必须被保持在一个生理学上可允许的温度。植物使用水来防止它们的叶子的过度变热。它们通过它们叶子上的气孔来蒸发水。由于其巨大的蒸发热，约550kcal/l，水提供了 一个异常的冷却效应，这使得叶子的温度处于一个可接受的范围内。生物有机体可以仅仅在适合的温度范围内生存。如果例如，我们身体的温度超过43摄氏度，我们就将会死亡。虽然植物的最大耐受温度可以更高，但是却适用相同的通用原贝U。在某一温度之上，活细胞中的蛋白质和其他主要的成分发生变质，并且该细胞死亡。此类致命过热的时段可能持续仅仅几分钟，有着不可逆的后果。如果该植物可存活，冷却水就必须是没有中断地(至少某一程度上)可获得的。存在许多具有充足降雨的巨大的地貌，但是这些地貌是不丰饶的，因为降雨是非常不均匀分布的。在干燥时间段中，植物不能够控制它们的温度并且死亡。植物脱水并且营养体消失。该条件可以在根本上改变，如果在关键的时间段中甚至小量水和营养素将是可获得的话。这将使得该植物能够存活。为此目的，从空气中获得的水可能通过由合宜的材料(例如聚乙烯等等)制成的低成本穿管的系统而分布在土壤中约50cm的深度处。一个主要的优点同样是，与常见的灌溉水中的盐和杂质对此类管的阻挡相比较，在使用在此披露的方法的情况下没有阻挡发生，因为从空气提取的水不含盐和其他杂质。来自空气灌溉系统中这种水的优化安排的往往例如是一个按照灌溉田地的条带的提供水的板的条带。这样一种安排将会消除对于长管线的需要并且允许这些板底侧的空气冷却。水吸收表面可能还被放置得靠近这些板或者位于其之下。存在不同的选择选项，这些选项可以容易地制得并且是本领域内普通技术人员所熟知的。一个重要的优点是，由于对于本发明系统和结构进行构造和维修的简单性和技术容易性，本地人口将不会有任何理解它和适应它的问题。脱水甘油的转移可以或者手动地或者通过泵来进行制造，如果太阳能电池、风力机发生器或者其他电力源是可得的话。许多适合的泵可在市场上按各种各样的尺寸和泵送能力来获得。在灌溉的表面上，应该有可能栽培例如橄榄树、藤本植物或者其他生物。这意味着，大的表面往往变得是可栽培的，这些大的表面是什么都没有的除了也许多年生的草能够现在就生长之外。除了通过在此披露的发明来增补连续的水供应之外，为了限制这些植物的蒸发沸腾作用可以采用其他适合的手段。例如，阴影可以进一步强烈地减少植物对于蒸腾作用冷却的水需求。可能的手段，诸如通过放置在栽培物上的多个箔的条或带来遮蔽栽培物以便减少太阳能热量，今天可能是处于低成本的并且是本领域普通技术人员所熟知的。大规模使用由本发明在此提出的缓和临时雨不足的可能性，会将大量未使用的陆地表面转化为绿色的农用地。如可以看到的，这种方法具有解决不仅今天的水短缺的能力而且还在今后提供了另外的动物和人体营养。所披露的方法的一个主要的优点是从空气中生产的水不包含甚至痕量的盐，并且因此，没有从灌溉水中积累的盐将会最后使得该土壤贫瘠的危险。所披露的方法的另一个非常积极的特征是每日基础上水的供应是连续的。这将会确定地帮助植物还生存多个吃水的时间段并且因此将会积极地改变地貌。全球的大范围也许会因此变得是适于居住的。借助在此提供的结构和程序采收的水用于无土壤栽培的用途在无土栽培中预期了通过在此描述的结构和方法获得的水的最大未来的利益。无土栽培代表了使植物在环境中生长的一种现代方式，这往往对于经典栽培完全是不适合的。无土栽培同样被称为水栽。在无土栽培中，植物通过置于非常小的封闭容器中的根来生长，带有溶解的营养盐的水以一种受控的方式添加到该容器中。植物不受水和营养物的限制，并且因此它们生长得远远更快并且产生了与经典的田间作物相比高得多的产率。如莫尔H.延森(Merle H.Jensen)在1997年10月第32 (6)卷中的园艺科学(Hortscience, vol.32(6)，0ctoberl997)中描述的，就在一升体积中的容器中生长的一种番茄植物在六个月的时间段内生产了 12，8kg的高品质的番茄。本领域的普通技术人员知道不同类型的无土栽培。这个课题的序言在以下网站上可获得:http://en.wikipedia.0tr/wiki/HydroponicSo那里所包含的信息以其整体结合在此。无土栽培的两项主要优点是高得多的产量以及以下事实，S卩，它可以在掩埋式(in-ground)农业或者园艺的地方得到使用。无土栽培要求常规农场所需要的少到百分之5的量的水，来生产相同量的食物。另外，所要求的营养物减少到约25%。因此，无土栽培对于雨水短缺的区域而言是优选的。此外，与中欧或北美相比较，干旱地区通常获得多出两倍量的光合成相关的太阳辐射。因此，它们是甚至更适合于无土栽培的。根据本发明从空气中生产纯水，在直到今天水资源是不可获得的地方上，为在行星的不丰饶的干旱区域中食物的生产打开了全新的且巨大的前景。因此，此处披露的本发明可以促进的不仅是消除饮用水的短缺，而且还打开了一个新的未预测到的食物源！对于增长中的世界人口而言大的风景也许变得适合居住。植物生长条件的总体上主要的改进，但是尤其是根据在此披露的结构灌溉装置的无土条件中栽培的那些，可以通过特殊的滤光器对植物进行遮阴来实现，该滤光器允许仅透射对用于植物生长和光合作用必要的太阳辐射光谱的一部分。这意味着该光谱的仅红色的部分将穿过这样一个滤光器层并且其他波长的辐射将会被反射掉。这样一个滤光器将会加剧减少流逸蒸腾作用所需要的水量，这些植物需要调整它们的温度。另一方面，光合作用将不会受到妨碍，并且生长速率将会被最大化。没有任何疑问，这对于农作物产量的增加将是积极的。在无土栽培中已经观察到了采收增加了一个数量级(例如在番茄的生产中)。当同样量的水被用过更多的植物时，这种选择性的遮蔽可以使其改进甚至更多。今天的技术允许用不同的材料大量地且低成本地来生产薄膜。可能生产如此混合的薄膜，以使得它们将会有如以上描述的光学特性。如何实现这点的方法是本领域的普通技术人员熟知的。可以在网上获得到田间的介绍:http://en.wikipedia.0rR/wiki/Filter (optics)。这页的内容以其全文附在此。生产具有合适光学特性的滤光器的另一种有意义的可能性是通过多个具有适合反射特征的二色性层来提供该薄膜的表面。它们可以广泛地被用于生产所谓的冷光束灯。不同材料的亚微米层的应用产生了衍射，其方式为该光谱的至少一些部分被反射并且一些基本上没有阻碍地穿过。二色性层是从用于礼物等的精美包装使用的艳丽塑料薄膜中知道的。二色性层的生产是本领域普通技术人员已知的。二色性滤光器的到田间的弓I入信息可以在以下网的页面上找至lJ:http://en.wikipedia.0rg/wiki/Dichroic filter。这页的内容以其全文附在此。提供的结构的用途和用于缓和尤其是增加的大气CO2浓度所引起的温室问题的方法大规模使用在此呈现的方法和结构(它们简单地且以非常低的成本从空气中提供清洁的水)，可以给归因于二氧化碳在大气中浓度增加的温室效应带来出人意料的解决方案。所熟知的事实是，植物优选吸收了处于叶绿素的吸收光谱范围内的太阳光。植物不会显著吸收该太阳光谱的不可见红外部分中的辐射。光谱的这个部分表示约一半的太阳能量到达了地球表面。这在红外摄像机制成的植物图片上容易地看到。该植物看起来是雪白的，这证实几乎完全反射了太阳光谱的这个部分。植物还反射了绿色光中的大部分并且还部分地反射了蓝色光和黄色光，对于我们的眼镜而言该光同样如绿色的发生。由于这种特性，植物拒绝了大部分的太阳辐射，这往往以其他方式转化为地面上的热量。产生的环境温度的增加将会蒸发地表的水分并且加热其上的空气。因此，沉淀的量将会减少并且该区域将会变得更干并且最后不适合于进一步的植物生长。最终的结构可能是此区域的沙漠化。为了应付地球上温度的增加，一些科学家和政治家想要减少二氧化碳在大气中的浓度。这个任务是困难且昂贵的。已知二氧化碳是所有我们食物仅有的和独一无二的碳源，因为CO2供应了糖、脂膏、蛋白质中的全部碳原子，不久在所有的生物学分子中，它们是我们生活必要的。在本专利申请中描述的新结构和其使用的方法允许第一时间在水不是可获得的或者仅处于有限的量的地方获得水。该水可以用于生长植物，其功能为过度太阳辐射的生物学反射体，并且同时功能为一个遮蔽物，这保护土壤湿度而避免蒸发。植物用于它们叶子的蒸腾作用和冷却所使用的湿度还降低了局部温度。在一种链效应中，此区域上的空气将会是更冷的并且还更可能是用水饱和的。这将导致更频繁的沉淀。这再次在正反馈中将会促进植物或浓作物在该区域中生长。如果该方法在靠近雨短缺的平衡点的多个地方上进行，那么一个相对小但是恒量的水供应将会转变消极的气候变化并且使得该区域再次变绿。在与干旱地区的边界上有着许多这样的地方。这里,应该开始此种方法。最终的结果往往是整个温度的降低。同时，全球大范围的表面可以用于农作物并且供应营养物以及用于数以百万的居住者的生存空间。尽管本发明的不同实施方案已经作为实例进行了说明，但是清楚的是本领域普通技术人员将会想到多种变更和变化。然而，将要清楚理解的是此类变更和变化是处于本发明的精神和范围之内。附图:图1:从甘油和从LiCl中脱附水。图2:由甘油和LiCl吸收水。图3:通过一个折叠式晒衣绳衣架建立水吸收的实例。图4:甘油供应管线的细节。图5:使用日光来展示水回收装置。图6:使用一般的热源来展示水回收装置。图7:展示了根据本发明的完整的水采集系统。图8:展示了 一个紧凑的水回收模块。图9:水回收模块中流动通道的细节。图10:48个模块的支持构造。
权利要求
1.用于从大体积空气中提取水蒸气进入一个低体积的吸收液体的结构，该结构包括 a)一个吸收部件的表面，在该表面上一个薄的流动吸湿液体层直接与空气接触，由此从空气中吸收水蒸汽； b)一个脱附部件的结构，在该结构上一个富集水的吸湿液体层与一个加热的表面在一侧上接触并且与阻挡该含水液体穿过它的材料层上相接触，但是该材料层允许水朝另一个表面穿过，该另一个表面被冷却到与该加热的表面相比更低的温度并且在其上回收了水，而该经再生的、冷凝的吸湿液体从该热表面流动以便在下一个水蒸汽吸收循环中再使用。
2.根据权利要求1所述的方法。
3.根据权利要求1所述的结构，其中一种吸湿液体被分布且被允许通过重力在一个用于其水合作用的纺织的或非纺织的织物的表面上流动。
4.根据权利要求1所述的结构，其中该吸湿液体是甘油。
5.根据权利要求1所述的结构，其中液体流动通过泵送发生。
6.根据权利要求1所述的结构，其中一个分层的、夹层状的结构被用于从含水溶液中分离出水，并且该结构由以下元件组成 a)—个薄片或层，该薄片或层是在环境温度之上加热的 b)一个多孔或丝状材料的空间或层，该空间或层允许含水液体沿着该加热的层而流动且均匀分布 c)一个材料层，该材料层允许水分子而非含水液体通过进入一个小空间中，从该小空间中水分子以一种液体形式被回收 d)一个薄片或层，该薄片或层的温度是通过空气移动来降低的
7.根据权利要求1和6所述的结构，其中用于从水合吸湿液体中分离出水所需的能量是通过太阳辐射来提供的。
8.根据权利要求1和6所述的结构，其中该加热的表面是用金属薄片制成的，该金属薄片是由一个太阳光吸收层提供的以便增加热生成。
9.根据权利要求6所述的结构，其中在照明侧上的热损失是由一个或多个热隔离的、但仅是吸光程度最低的层来限制的。
10.根据权利要求6所述的结构，其中隔离层是由多个透明材料薄片制成的，这些透明材料薄片通过由木材、泡沫聚苯乙烯或者其他隔离材料或者它们的组合制成的隔离框架以从0.1mm到50mm的一个距离支持。
11.根据权利要求1和6所述的结构，其中该防止液体通过的材料的层是一种疏水或超级疏水材料的膜。
12.根据权利要求1和6所述的结构，其中该甘油阻挡材料是由再生纤维素或其衍生物制成的。
13.根据权利要求11所述的结构，其中该疏水材料是一种多孔的PTFE膜，该膜由适合的支持材料进行增强。
14.根据权利要求6所述的结构，其中这些加热的和冷却的表面配备有多个通道或凹槽，这些通道或凹槽有助于该含水溶液在该加热的表面上流动并且在该冷却的表面上去除冷凝水，而这两种液体是通过一个允许水或水蒸汽而非甘油通过的材料层分离出的。
15.根据权利要求14所述的结构，其中在相对的表面之间的这些凹槽或通道的方向是旋转的，这样使得，在将它们固定在一起之后该结构的机械稳定性得到增加。
16.根据权利要求6所述的结构，其中该冷却是通过自然热空气的移动或风来提供的。
17.根据权利要求1和6所述的结构，其中水蒸汽是从封闭的空间中的空气中提取的，这致使相对湿度减少到一个适合的水平。
18.根据权利要求17所述的结构，其中该水蒸汽的提取是与从一个封闭的空间中另一个水浸湿的表面上的水蒸发相结合的，这样使得由于水的蒸发热，降低了在同一封闭空间中产生的温度。
19.根据权利要求1和 6所述的结构，通过这种结构所生产的水被用于饮用。
20.根据权利要求1和6所述的结构，通过这种结构所生产的水被用于适当的地方，而无需昂贵的分布管路。
21.根据权利要求1和6所述的结构，通过这种结构所生产的水被用于地表的灌溉，该灌溉可以连续地用于农作物或者其他植物的栽培。
22.根据权利要求1和21所述的结构，其中来自空气中的水通过灌溉管道被分配到土壤中、被置于土壤表面以下至少5cm处。
23.根据权利要求1和6所述的结构，通过这种结构所生产的水被用于植物的无土壤栽培。
24.根据权利要求1和6所述的结构，通过这种结构所生产的水被用于通过植物的栽培来减少地球上的温室效应，这些植物反射了大部分的入射太阳辐射，并且由此减少环境空间的过度变热。
25.一种使用根据权利要求1和6中所述的结构来栽培植物的方法，其中用从空气湿度中生产的水来栽培的植物是由以下薄膜进行遮蔽的，这些薄膜允许仅太阳辐射光谱的光合成相关部分通过并且同时反射其他部分，由此降低植物的温度以及因此它们对于蒸腾作用所需的水，最终导致它们的水要求的减少并且增加了生长和产量。
全文摘要
按一种方法提取水蒸汽，在该方法中将来自大体积空气的水蒸汽通过吸入一个小体积的吸湿液体(14)中进行冷凝，从该吸湿液体中水蒸汽通过穿过一个选择性层(12)而得到回收。
文档编号E03B3/28GK103210155SQ201180055129
公开日2013年7月17日 申请日期2011年11月9日 优先权日2010年11月25日
发明者帕维尔·莱克 申请人:帕维尔·莱克, 简·马克·莱克, 莫妮克·莱克哈根