用于可穿戴大气蒸气提取的系统和方法与流程

用于可穿戴大气蒸气提取的系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年1月27日提交的题为systems and methods for wearable atmospheric vapor extraction的美国临时专利申请no.62/966,491的权益，其全部内容通过引用的方式并入本文。
技术领域
3.本公开内容涉及用于从环境空气生成或提取液体水的可穿戴、便携式、单独和/或小型的系统和方法。


背景技术：

4.通过从环境空气或大气空气提取水蒸气来生产液体水可会带来各种挑战。某些挑战包括与以低成本和高可靠性最大化水生产率(production rate)和/或效率相关的那些挑战。
5.水生成系统可将水的冷凝(凝结)潜热(在环境条件下大约δh
vap
＝660wh/kg)从其蒸气相转移以冷凝气体。常规的水生成装置解决方案典型地是包括传统除湿循环(例如直接制冷和大气水蒸气的冷凝)的并网(grid-tied)系统。这些系统的子设备可包括一个传统的液体干燥回路，其目的是扩大制冷回路的湿度范围，以便提取更多的水蒸气。在采用经由直接制冷和冷凝直接冷却环境空气的常规的大气水生成器中，可经由利用制冷剂作为封闭回路循环(例如蒸汽压缩)中的工作流体来降低能量输入的量。然而，冷凝(凝结)热与能量输入的比率——性能系数(cop)——在潜在的现场部署环境范围内(例如，基于这些环境的相对湿度)可有几个数量级的变化。对于典型的制冷剂(例如，典型地以40wh/kg的量级为特征)，封闭热力学回路会产生能量成本，这可能不适合于可穿戴或便携式装置的严格的操作、尺寸、重量和功率要求。
6.此外，常规的水生成装置典型地具有大的占用空间(例如，25至200平方英尺)。这样的常规的水生成装置系统的尺寸和复杂性可源于需要处理多个气流和液体干燥剂回路，以及热交换机制和密封(containment，隔离)解决方案。这样的复杂性可需要上述占用空间，并且导致与系统子组件的电源管理相关的各种低效率。
7.另外，传统的液体干燥剂可表现出缓慢的吸附动力学和等温线，其在低于中等rh值时失去功效。虽然高湿度和高环境温度条件可使得这些大型系统的性能小于300wh/l，但在更平均的条件下，性能可扩展至1500wh/l，并且在干旱(arid)条件下可最高达5000wh/l。不受任何特定理论的束缚，常规的水生成装置系统的基本热力学可导致在中等或较差条件下的较差性能(即，较低的水生产效率)，由此极大地限制了它们的功效和适用性。
8.相应地，需要用于使用便宜且可靠的方法从环境空气或大气空气生产液体水的可穿戴、单独、小型、便携式和/或可现场部署的系统和方法，其最大化水生产率和/或效率。


技术实现要素：

9.本文提供了一种可穿戴水生成装置。所述可穿戴水生成装置可包括：吸附剂室，所述吸附剂室包括吸附剂材料以在加载循环期间从环境空气捕获水蒸气，所述吸附剂材料被配置为吸收热能；真空泵，其被配置为在吸附剂室内产生减压条件，由此在释放循环期间从吸附剂材料解吸水，其中减压条件增加了通过吸附剂材料捕获的水的蒸气压与吸附剂室中的水蒸气分压的比率；以及冷凝器(凝结器)，用于从自真空泵接收的解吸的水蒸气产生液体水。
10.在各种实施方案中，吸附剂材料被配置为从大气水生成装置的穿戴者吸收热能。在各种实施方案中，吸附剂材料被配置为从撞击大气水生成装置的太阳辐射吸收热能。在各种实施方案中，可穿戴水生成装置进一步包括被配置为冷却冷凝器的风扇。在各种实施方案中，真空泵将解吸的水蒸气作为在大气压下的蒸汽排出。在各种实施方案中，真空泵将解吸的水蒸气排出至比大气压更高的压力。
11.在各种实施方案中，可穿戴水生成装置进一步包括与真空泵结合的压缩机，并且解吸的水蒸气从吸附剂室排出至比大气压更高的压力。在各种实施方案中，可穿戴水生成装置被配置为在开放回路热力学循环中操作。在各种实施方案中，真空泵的出口被配置为将热量从自其排放的水蒸气交换到吸附剂室，由此增加从吸附剂材料解吸的水蒸气的速率和蒸气压中的至少一个。
12.在各种实施方案中，吸附剂材料包含离子液体。在各种实施方案中，吸附剂材料包含无溶剂(solvent-less，少溶剂)离子液体环氧树脂。在各种实施方案中，吸附剂材料包含夹带到多孔固体中的离子液体。在各种实施方案中，吸附剂材料包含金属-有机骨架。在各种实施方案中，可穿戴水生成装置被配置为将热量从真空泵交换到吸附剂材料。在各种实施方案中，可穿戴水生成装置被配置为将热量从冷凝器交换到吸附剂材料，使得降低真空泵的功率需求，由此提高性能系数。在各种实施方案中，吸附剂室包括用于在释放循环期间输入气体漏泄物(泄漏,leak)的入口。在各种实施方案中，载气漏泄物包括环境空气。
13.在各种实施方案中，可穿戴水生成装置进一步包括一个或多个传感器，以及耦合至所述一个或多个传感器和真空泵的控制器，所述控制器被配置为通过在释放时间期间调节减压条件来最大化冷凝器中的水生产率。在各种实施方案中，可穿戴水生成装置进一步包括控制器，所述控制器被配置为通过将吸附剂室中的减压条件维持低于预定设定点来最大化冷凝器的水生产率。在各种实施方案中，控制器通过调节输入至真空泵的功率将吸附剂室中的减压条件维持低于预定设定点。在各种实施方案中，控制器进一步被配置为调节气体漏泄物(泄漏)的流速以维持吸附剂室中的减压条件。
14.在各种实施方案中，本文提供了一种用于操作可穿戴水生成装置的方法。在各种实施方案中，所述方法包括：在加载循环期间通过吸附剂室中的吸附剂材料从环境空气捕获水蒸气，在释放循环期间在吸附剂室中形成减压条件，在释放循环期间在释放循环期间从吸附剂材料解吸水，和在释放循环期间将从吸附剂室输出的水蒸气冷凝成液体水。
15.在各种实施方案中，加载循环和释放循环在开放回路热力学循环中操作。在各种实施方案中，所述方法进一步包括在释放循环期间将气体漏泄物输入到吸附剂室中。在各种实施方案中，捕获水蒸气包括将环境空气输入到可穿戴水生成装置的吸附剂室中。在各种实施方案中，在释放循环期间从吸附剂材料解吸水包括将吸附剂材料暴露于低等级
(grade)热源。在各种实施方案中，低等级热源包括来自大气水生成装置的穿戴者的热能。在各种实施方案中，低等级热源包括被动环境热、太阳能或其组合。
16.在各种实施方案中，形成减压条件包括通过调节真空泵速率来调节减压条件。在各种实施方案中，形成减压条件包括通过调节载气进入到吸附剂室中的流速来调节减压条件。
17.在各种实施方案中，所述方法进一步包括：确定穿戴者的身体状况；以及，基于确定的身体状况调节减压条件。在各种实施方案中，穿戴者的身体状况是穿戴者的体热、温度、代谢率或其组合。在各种实施方案中，所述方法进一步包括确定穿戴者的身体状况已经增加到高于预定阈值，以及基于确定的穿戴者的身体状况减少能量输入的量以形成减压条件。在各种实施方案中，所述方法进一步包括确定穿戴者的身体状况已经降低到低于预定阈值，以及基于确定的穿戴者的身体状况降低吸附剂室内的压力。在各种实施方案中，所述方法进一步包括：确定吸附剂材料中的水的量；以及作为响应，基于确定的水的量确定吸附剂室压力设定点。
18.除非本文另有明确说明，否则前述特征和要素(elements，元件)可以各种组合进行组合而不具有排他性。根据以下描述和附图，这些特征和要素(元件)以及所公开实施方案的操作将变得更加明显。
附图说明
19.以下附图以示例并且非限制的方式进行说明。为了简洁和清晰起见，给定结构的每个特征并不总是在该结构出现的每个图中都标记。相同的附图标记不必然地表示相同的结构。相反，可使用相同的附图标记来表示相似的特征或具有相似功能的特征，不同的附图标记也可以。附图中的视图是按比例绘制的(除非另有说明)，这意味着对于至少视图中的实施方案，所描绘的要素(元件)的尺寸相对于彼此是准确的。
20.图1描绘了根据一个实施方案的水蒸气p-h图上的蒸气循环，包括状态(1)吸附剂材料上的吸附的蒸气经由真空泵经受降低的气氛压力(大气压力，atmospheric pressure)，驱动蒸气压力梯度和解吸水蒸气；状态(2)从吸附剂材料产生的水蒸气(例如在大气条件下至少部分地是蒸汽)的泵出口，所述水蒸气然后通过冷凝器冷却至液相(3)，以及持续向环境条件排放热量(4)；
21.图2描绘了根据一个实施方案的与通过泵施加的真空室压力(p_c)相比，在平衡的相对湿度(rh)水平(实线)下吸附剂材料上的水蒸气压力，两者均作为材料/室温度的函数；
22.图3描绘了根据一个实施方案的大气水提取器(awe)和循环操作方案；
23.图4描绘了根据一个实施方案的大气水提取器(awe)和循环操作方案；
24.图5描绘了根据一个实施方案的如下三种代表性类别的吸附剂材料在10-100％rh的范围内的焓功和水质量吸收：常规硅胶(si-凝胶(si-gel))、金属有机骨架(mof)和离子液体(il)；
25.图6示出了根据一个实施方案的简化的siler(或无溶剂(少溶剂)的离子液体环氧树脂)聚合反应，其中两种组分都是离子液体；
26.图7(a)和7(b)示出了根据一个实施方案的示例性siler结构；
27.图8(a)和8(b)示出了示例性离子液体结构。图8(a)示出了根据一个实施方案的具
有溴(化物)抗衡离子的四氨基芳族交联剂并且图8(b)示出了二环氧化物咪唑鎓十二烷基硫酸盐；
28.图9(a)和9(b)是根据一个实施方案的图9(a)中的用整体分级孔形成剂(integral hierarchical pore-former)形成的合成的siler聚合物的图像，以及图9(b)中的相同的siler聚合物的显微照片；
29.图10是根据一个实施方案的四种基于siler的离聚物聚合物体系在相对湿度(rh)％的范围内的水吸收质量％的图；和
30.图11描绘了根据一个实施方案的示例性方法的流程图。
具体实施方式
31.本公开内容包括可穿戴、便携式、单独、小型和/或可现场部署的系统和方法(例如用于从空气生成液体水)的实施方案。术语“耦合”定义为连接，但不一定是直接地，也不一定是机械地。除非本公开内容另有明确要求，否则术语“一个(一种，a)”和“一个(一种，an)”被定义为一个或多个(一种或多种)。如本领域普通技术人员所理解的，术语“基本上”被定义为在很大程度上但不一定全部是指定的(并且包括所指定的；例如，基本上90度包括90度并且基本上平行包括平行)。在任何公开的实施方案中，术语“基本上”和“大约”可用所指定的“在......[百分比]内”替代，其中所述百分比包括0.1、1、5和10％。此外，以某种方式配置的装置或系统以至少该方式配置，但也可以不同于具体描述的那些方式配置。
[0032]
术语“包含(comprise)”(以及任何形式的包含，例如“包含(comprises)”和“包含(comprising)”)、“具有”(以及任何形式的具有，例如“具有(has)”和“具有(having)”)、“包括”(以及任何形式的包括，例如“包括(includes)”和“包括(including)”)以及“含有”(以及任何形式的含有，例如“含有(contains)”和“含有(containing)”)是开放式连接动词。作为结果，“包含”、“具有”、“包括”或“含有”一个或多个要素(元件)的设备拥有那些一个或多个要素(元件)，但不限于仅拥有那些要素(元件)，同样，“包含”、“具有”、“包括”或“含有”一个或多个操作或步骤的方法拥有那些一个或多个操作或步骤，但不限于仅拥有那些一个或多个操作或步骤。
[0033]
如在本公开内容中使用的，术语“吸附(sorption)”、“吸附(adsorption)”、“吸收(absorption)”等是可互换的。虽然通常理解吸收是整体(bulk)现象并且吸附是基于表面的现象，但是本公开内容的吸湿材料、干燥剂和/或吸附介质可通过吸附、吸收或其组合来捕获水蒸气。
[0034]
设备、系统和方法中的任何一种的任何实施方案都可由或基本上由所描述的步骤、要素(元件)和/或特征组成(而不是包含/包括/含有/具有所描述的步骤、要素(元件)和/或特征)。因此，在任何权利要求中,术语“由
……
组成”或“基本上由
……
组成”可替代以上列举的任何开放式连接动词，以改变给定权利要求的范围，而不是使用开放式连接动词的范围。一个实施方案的一个或多个特征可应用于其他实施方案或实施方式，即使没有描述或说明，除非被本公开内容或实施方案的性质明确禁止。
[0035]
本文描述了一种用于有效大气水提取或生成的可穿戴、便携式、单独和/或小型的装置。在一个示例中，可穿戴水生成装置可支持个体人或穿戴者(例如，战场上的战士)的总水需求。本文描述了先进吸附剂材料、系统操作方法、热力学循环和其他能够集成到可现场
部署装置中的特征的组合。如本文中所使用，可穿戴大气水生成装置是指可为可穿戴、便携式、单独、小型和/或可现场部署的水生成装置；提及这些特征之一不应被理解为排除其他特征。
[0036]
可穿戴水生成装置可利用超低等级热(或低温，例如《60℃或《40℃)源，例如环境热、体热和/或太阳能，用于从空气有效地生产液体水，使得小和/或可穿戴的装置能够在恶劣的环境条件(例如，低环境相对湿度)下和/或在没有或有可用外部电源的情况下生产个体或个人量的水。通过集成不同的吸附剂材料体系、受控的热力学循环和/或嵌入式软件和控制，可穿戴水生成装置可使用来自外源的较低等级热，用于完全离网(off-grid)应用。
[0037]
可穿戴水生成装置可被配置为通过在大气压条件和低压或减压条件之间循环本文所述的吸附剂材料来发挥作用。本文所述的可穿戴水生成装置的吸附剂材料可在低至3％或10％rh的条件下吸附水蒸气，本身可具有很小的蒸汽压或没有蒸汽压，可具有高热导率，以及可最低限度地易受来自大气成分的吸附位点中毒的影响。可穿戴水生成装置本身可包括高效和/或小型真空泵，其可实现比吸附和/或吸收到装置的吸湿或吸附剂材料中的水的蒸气压更低的压力。
[0038]
本文所述的高效可穿戴水生成装置、系统和方法以及其相关特征代表了一种不同的方法，以实现从空气的无基础设施的饮用水生产的新范例。在各种实施方案中，用于可穿戴水生成装置的吸湿、吸附剂或干燥剂材料的功能表面积——用于水吸收和热交换目的——被设计和构造用于在个体穿戴者的小体积水生产范围内操作(例如，在1.5l的范围内)。在各种实施方案中，一种或多种吸附剂材料和/或热力学循环被定义用于非常低等级的热源(例如，来自人体的热量，小于约40℃，被动环境加热和/或撞击装置的太阳辐射等)，这可用于水蒸气解吸。在各种实施方案中，通过在水生成循环的解吸阶段期间施加真空和/或受控的减压条件，可降低提取水蒸气的温度，并且可提高装置的效率。
[0039]
在各种实施方案中，特定的吸附剂材料组、其生产或组装以及限定的热力学循环被集成到可现场部署或可穿戴的水生成装置中。为了便于描述，以下首先描述能够实现期望的能量转换率的热循环，然后描述期望的吸附剂材料性质，从而引入集成的吸附剂材料特征。
[0040]
可穿戴水生成装置操作或热力学循环
[0041]
本文所述的各种可穿戴水生成装置提供了一种通过采用水蒸气作为工作气体的开放回路热力学循环的实施方式来进行大气水提取。本文所述的各种可穿戴水生成装置可特别地适合于可穿戴、可现场部署或远征应用。为了便于描述，首先介绍操作循环，以阐明结合可能的吸附剂材料的基础，使得能够在宽的环境条件范围内操作。
[0042]
本文所述的可穿戴水生成装置和方法可作为采用水作为工作流体的开放回路热力学循环来实施，由此显著增加从环境空气提取水蒸气的有效性能系数(cop)。根据一个实施方案，图1在压力-焓图上示出了一个示例性开放回路蒸气循环，其中从状态4到1的完整开放回路循环(通过粗黑线表示)不直接连接(即，开放回路循环)。在各种实施方案中，可穿戴水生成装置可被配置为在水解吸期间将热量连续地排放至环境条件，而不是将热量重新引入设置在可穿戴水生成装置的吸附剂室中的吸附剂材料中。可首先将吸附剂材料暴露于环境空气作为连通到可穿戴水生成装置中的水源。然后，在状态1，可将载有水分的吸附剂材料置于降低的气氛(大气，atmosphere)条件(例如，小于1atm)下以降低吸附剂材料上的
水蒸气的分压。在各种实施方案中，例如经由控制器(例如pcb、无线等)，可穿戴水生成装置可将内部系统(例如，含吸附剂的室)的压力保持低于基于吸附材料和/或一种或多种可用低等级热源的性质的设定点。例如，在各种实施方案中，控制器可确定可穿戴水生成装置的穿戴者的温度是否高于预定阈值、低于预定阈值或在预定阈值之间(例如，在35-40℃之间)，以及作为响应，将吸附剂室中的压力保持低于预定阈值或在预定阈值之间(例如，小于1atm、小于约0.8atm、在0.1和0.8atm之间等)。
[0043]
在各种实施方案中，蒸气解吸(例如，从可穿戴水生成装置的吸附剂室中的吸附剂材料)的驱动力j与吸附剂材料上的水的平衡蒸汽压pv和装置吸附剂材料(例如，在可穿戴水生成装置的吸附剂室内的)周围的大气中的水蒸气的分压p
p
之间的差值成正比，如等式(1)所示。
[0044]
j～pv(t)-p
p
(1)
[0045]
与等式(1)一致，pv随着施加至吸附剂材料的热通量和/或温度(例如，经由从穿戴者的身体到吸附剂材料的热传递)的增加而增加，而p
p
随着气氛压力(大气压力，atmospheric pressure)的降低而降低(例如，在可穿戴水生成装置的吸附剂室中)。在各种实施方案中，可穿戴水生成装置的吸附剂室中的热通量和/或气氛压力(大气压力，atmospheric pressure)可进一步通过可穿戴水生成装置控制(例如，经由控制器)以驱动有利于蒸气解吸的j的值。在各种实施方案中，控制器可确定穿戴者的体热、温度和/或代谢率是否已增加到高于预定阈值，以及作为响应，减少引导至机载泵送装置以降低吸附剂室内的压力的能量(例如，来自机载装置电池)的量。在各种实施方案中，控制器可确定穿戴者的体热、温度或代谢率已经降低到低于预定阈值，以及作为响应，激活机载泵送装置以降低吸附剂室内的压力。在各种实施方案中，控制器可确定、估计和/或跟踪被吸附剂材料所保持的水的量(amount)或量(quantity)(例如，经由基于已知的吸附剂材料性质和压力和/或温度的解吸-吸收质量的守恒计算)，以及作为响应，确定吸附剂室压力设定点；例如，在各种实施方案中，控制器可响应于穿戴者的体热和/或温度的降低而降低室压力，和/或响应于穿戴者的体热、体温等的增加而增加室压力。
[0046]
通过说明，图2描绘了吸附剂材料上的等效蒸气压(在不同的rh加载条件下，以实线表示)和由虚线表示的吸附剂室压力p_c(其中室中的水蒸气的分压是其几分之一)之间的梯度。如图2所示，在小于约20％rh下，吸附剂室真空可生成水解吸的驱动力(如通过20％rh曲线和15kpa吸附剂室压力曲线之间的差异所示)。在各种实施方案中，任何低热通量等级(例如，来自穿戴者的身体的低温热源)增加了水解吸的该驱动力。如下文将更详细描述的，在各种实施方案中，控制器可通过控制吸附剂室中的吸附剂材料的等效蒸气压力和吸附剂室压力之间的差来确定用于驱动水蒸气解吸(并且因此生成水)的操作设定点。
[0047]
在各种实施方案中，解吸的蒸气可经由真空泵被压缩回至大气压或高于大气压，所述真空泵可操作地耦合至可穿戴水生成装置和/或配置为可穿戴水生成装置的组件。在一些实施方式中，可穿戴水生成装置可包括在真空泵下游和/或在冷凝器之前的压缩机单元。在各种实施方案中，泵的输出可为饱和的和/或过饱和的蒸汽，然后经由冷凝器将其冷却到水饱和线。与图2一致，在各种实施方案中，如本文所述的开放回路循环的cop可为约9(其中“约”意味着+/-2)，使得可经由73wh能量输入生产一升水，并且相应地在使用400wh的24小时周期内产生大于5升的水。在各种实施方案中，调整等式(1)中的材料等效蒸气压的
另外的能量输入可帮助进一步提高cop。例如，从冷凝器到吸附剂材料的热交换可将泵的需求(pump requirement)从约30kpa降低到约45kpa，从而将cop增加到约11。
[0048]
图3示出了根据各种实施方案的可穿戴水生成装置100和示例性循环方案(由箭头示出)。可穿戴水生成装置100可包括耦合至个体150或由个体150穿戴的装置外壳102、包含吸附剂材料112的吸附剂室110、可操作地耦合至吸附剂室110的真空泵或减压组件120、风扇或鼓风机130和/或冷凝器140。图3的组件和特征不是按比例绘制的，而是为了便于描述而示出的。在各种实施方案中，吸附剂室110可经由阀和/或在可穿戴水生成装置100的释放循环期间激活的其他机构而可密封的。真空泵120可被配置为从吸附剂室110解吸蒸气并且将其压缩至大气压(例如蒸汽或至少部分蒸汽)，如从循环部分1到循环部分2所示。在一些实施方式中，风扇130冷却冷凝器140以改进液体水的冷凝和/或产生，如从循环部分2到循环部分3所示。在吸附剂室110处，吸附的蒸气可经历上述和关于图1的开放回路热力学循环。在各种实施方案中，开放回路热力循环可被控制用于液体水的生产，如本文所述的控制器104。
[0049]
图4示出了根据各种实施方案的可穿戴水生成装置100和示例性循环方案(由箭头示出)。在各种实施方案中，吸附剂室110可置于真空或负压下(例如，经由真空泵120)。在各种实施方案中，气体漏泄物160(例如，经由阀输入至吸附剂室110的环境空气)可被引入到吸附剂室110的内部容积中。用于指代图4中的组件的数字指示符与用于指代以上图3中的组件或特征的数字指示符相似，并且虽然为了便于描述，一些组件可能未在图4中描绘，但一些或全部可在各种实施方式中存在于图4的系统中。在一些实施方式中，气体漏泄物160可在输入至吸附剂室110之前和/或期间通过任何期望的加热机构或源(例如，经由穿戴者150的低等级体热)来加热。在一些实施方式中，热量可从在大气压或高于大气压下的循环部分1处指示的吸附剂室110的膨胀水蒸气输出传递到经由热交换机构或配置进入吸附剂室110的气体漏泄物160。以此方式，可促进从吸附剂室110输出的水蒸气的有效冷却和冷凝，以及相反地，可促进气体漏泄物160的加热和干燥。不受任何特定理论的束缚，来自吸附剂材料吸入的水蒸气和气体漏泄物的流体的混合物可在吸附剂室110内产生升高的压力，导致水蒸气快速相变成液体水，例如一旦经由真空泵120将混合物移动到更高的压力条件时。
[0050]
用于优化液体水的生产的其他方法和细节在2019年10月18日提交的美国申请no.16/657,935中进行了描述，该申请的标题为“systems and methods for generating liquid water using highly efficient techniques that optimize production”。
[0051]
在各种实施方案中，来自可穿戴水生成装置的穿戴者的代谢热和由来自冷凝器的气流携带的冷凝潜热可与吸附剂室和/或吸附剂材料交换，进一步驱动解吸动力学。除了使吸附剂处于降低的气氛(大气，atmospheric)压力下之外，吸附剂材料和吸附剂室还可被配置为接收来自以下的低等级热：(i)环境条件，(ii)穿戴者的新陈代谢例如身体接触或呼吸热交换，(iii)用作热电联产热(cogeneration heat)的从冷凝器提取的冷凝热，(iv)从任何使用中的组件(例如真空泵)提取的电废热，以及(v)太阳能热能。在各种实施方案中，由可穿戴水生成装置利用的太阳热能可为被动的，而不是对于穿戴者来说为峰值太阳活动定位自己的直接考虑因素。
[0052]
基于对减压条件的控制、吸附剂室控制的气体泄漏(漏泄物)和/或减压条件的时
间动态，本文所述的开放回路热力循环可实施用于可穿戴或便携式水生产。另外，可穿戴水生成装置中集成的吸附剂材料的性质及其物理配置可配置用于吸收和传导来自被动低等级热源的热能。
[0053]
在各种实施方案中，可在吸附剂室110内形成减压条件，使得减压条件增加被吸附剂材料112捕获或相对于吸附剂材料112的水的蒸气压与吸附剂室110中的水蒸气分压的比率。在一些实施方式中，可在吸附剂室110内形成减压条件，使得减压条件增加被吸附剂材料捕获的水的蒸气压与吸附剂室110中的总压力的比率。水蒸气压或水的平衡蒸气压在本文中应理解为意指在给定温度下水蒸气与其位于吸附剂材料中的冷凝相或相对于吸附剂材料处于热力学平衡时所施加的压力。如本文中所使用，吸附剂室中的水蒸气分压可通过气体混合物中的水蒸气在单独占据吸附剂室时所施加的压力来定义，并且吸附剂室中的总压力可定义为混合物中的所有气体的分压之和。
[0054]
在各种实施方案中，可通过增加被吸附剂材料捕获的水蒸气的压力与吸附剂室中的水蒸气分压的比率来动态地或以其他方式控制或优化减压条件。在各种实施方案中，可通过增加被吸附剂材料捕获的水蒸气的压力与吸附剂室中的气体的总压力的比率来优化减压条件。在示例性控制方案中，减压条件可被配置为使得被吸附剂材料捕获的水蒸气压力保持高于腔室容积中的水蒸气分压。
[0055]
可采用各种方法来控制和/或优化吸附剂室内的减压条件，以便将在加载时间期间被吸附剂材料捕获的水蒸气在释放时间期间驱动到蒸气压饱和。由于吸附剂室容积处于真空或相对于环境压力的负压，任何被动热源或热能源(例如穿戴者的体热)都可被引入到吸附剂室容积中以加热吸附剂材料。在一些实施方式中，吸附剂材料可吸收由可穿戴水生成装置和/或其周围环境的一个或多个组件的操作生成的废热。
[0056]
在各种实施方式中，可穿戴水生成装置吸附剂材料可被动地加载有大气水，例如根据昼夜循环。作为另一个操作示例，水生成装置阀可根据昼夜循环和/或操作设定点以交替方式致动，以在释放时间期间密封装置外壳容积和在加载时间期间打开。
[0057]
在各种实施方案中，可穿戴水生成装置可包括控制器(例如控制器104)，以基于当前或预测的环境条件(例如日照、环境温度、环境湿度等)、当前或预测的系统性质(例如环境和/或穿戴者温度)等最大化冷凝器处的液体水的生产。
[0058]
在各种实施方案中，可穿戴水生成装置100包括辅助能量生成和/或能量存储组件106(参考图3和4)，其被配置为向可穿戴水生成装置100的至少一部分(例如，风扇130、真空泵120、阀和/或类似物)提供功率。在一些示例中，可穿戴水生成装置100包括被配置为将太阳辐射转化至电力的太阳能单元和/或电池以将功率作为电化学能存储并且向可穿戴水生成装置100提供功率。
[0059]
此外，可穿戴水生成装置100可使用一个或多个传感器、机载确定性和/或机器学习算法、关于水蒸气的热力学的信息、关于吸附剂材料的性质的信息、关于生产的液体水的量的信息、关于被吸附剂材料保留的水蒸气的量的信息，以最大化冷凝器处的水生产。在各种实施方案中，可穿戴水生成装置100可包括这样的传感器；然而，在各种实施方案中，可穿戴水生成装置100可与这样的传感器通信，但这样的传感器不包括可穿戴水生成装置100本身的一部分。可穿戴水生成装置还可包括一个或多个指示器(例如灯，例如led)，其可被配置为提供关于系统操作的信息。例如，在一些实施方案中，指示器可被配置为提供系统正在
运行、建议维护、或组件已经发生故障和/或正在发生故障和/或类似情况的信息(例如，视觉地，例如，向穿戴者)。任何期望的信息(包括以上关于指示器描述的信息)可通过通信网络传输(例如，单独地和/或与任何指示器的操作一起)。
[0060]
虽然吸附剂材料可用于在如上所述的开放回路热力学循环下实施或操作的可穿戴水生成装置中，但采用本文所述的吸附剂材料的其他实施方式或操作方法也是可能的。
[0061]
可穿戴水生成装置吸附剂材料
[0062]
现在转向对吸附剂材料和特征的描述，图5描绘了如下三种代表性类别的吸附剂材料在相对湿度范围(即，10-100％rh)内的焓功和水质量吸收：常规硅胶(si-凝胶)、金属有机骨架(mof)和如图所示的离子液体(il)。如图5所示，mof在中等范围rh下表现出高水吸收；离子液体可在整个rh范围内和/或在严格的操作要求下维持焓功，用于有效的水生成。在各种实施方案中，可选择、限定和/或配置可穿戴水生成装置的吸附剂材料以用于在至少10-100％或至少2-100％rh的相对湿度范围内的高等温行为。
[0063]
可选择和/或配置在可穿戴水生成装置中采用的吸附剂材料用于各种特征，例如，由分级(hierarchically，分层)多孔干燥剂的高表面积提供的动力学，无机盐的加载潜力，不会被周围环境中的其他物质毒害，高热导率，和/或在所有循环条件下的稳定性。此外，可选择和/或配置可穿戴水生成装置吸附剂材料，以便在至少10-100％rh或甚至3-100％rh的相对湿度范围内具有稳定或高等温行为(例如，如图5所示)。
[0064]
离子液体(il)是可具有可调整性质的一类材料。预计有106个有机离子对会生成所谓的低温离子液体。这些系统可从亲水性调整到高度疏水性，在粘度的数量级上，可被功能化以执行各种催化功能，并且可具有高度的吸湿性。不受任何特定理论的束缚，吸湿性程度可通过离子液体的离子上的电荷筛选来驱动。此外，由于这些离子的硬度/柔软度、特定部分的电子结构的细节以及取代基的疏水性和/或形状，可直接调整离子液体的等温线或等温行为。如本文所述，材料可从环境吸附/吸收水蒸气的程度以及在各种相对湿度条件下对该水蒸气的焓功都可影响水生产。在各种实施方案中，可根据其在宽rh范围内的等温线行为来选择吸附剂材料以用于可穿戴水生成装置中。
[0065]
可采用各种方法来合成具有期望的一组性质的il和/或siler，例如，描述于2011年4月28日提交的题为“metal-air room-temperature ionic liquid electrochemical cell with liquid fuel”的u.s.专利申请no.13/096,851，2017年10月24日提交的题为“solvent-less ionic liquid epoxy resin”的u.s.专利申请no.16/344,751，和2020年2月18提交的题为“solvent-less ionic liquid epoxy resin”的国际申请号pct/us2020/018682。
[0066]
尽管il能够实现所有可调整性和现象学范围，但它们是液体，因此可能缺乏表面积来支持对于在可穿戴水生成装置中部署而言的感兴趣的动力学。如下文进一步详细描述的，一类聚合物材料可能够实现il的物理化学工程，同时提供高度交联的环氧化物体系的机械性质，该体系适合于部署在可穿戴水生成装置中。处于便于本文描述的目的，我们将此类材料称为“siler”或无溶剂的离子液体环氧树脂。
[0067]
图6示出了根据各种实施方案的简化的siler聚合反应，其中两部分环氧体系的两种组分都是离子液体。在该示例中，r1+的取代基可称为“硬化剂”化学物质，并且离子r2-可具有缩水甘油取代基。考虑到残留的离子液体a-|b+，这两个体系的混合物可产生具有可调
整自由体积的两性离子聚合物。在各种实施方案中，r1和r2也可为阴离子的或阳离子的，产生离聚物聚合物。这种简化的框架能够实现对最终siler聚合物的最终物理化学、机械和物理性质进行工程设计。
[0068]
图7(a)和7(b)示出了可用于本文所述的可穿戴水生成装置的示例性siler il组的非限制性集合。这些siler结构可具有宽范围的取代基并且提供宽范围的性质。在各种实施方案中，基团r1、r2、r3和r4可选择为任何期望的化学链。在各种实施方案中，y可为亲核试剂，包括但不限于-nh2，-sh，-oh，-seh，-ph2或其他亲核取代基，其可与环氧基团反应形成稳定的化学键，作为完全聚合反应的示例形成二聚体。此外，在各种实施方案中，y和环氧部分可以在r1和r2之间交换。在各种实施方案中，阴离子和/或阳离子部分可为任何期望的离子取代基。在一个非限制性示例中，树脂和硬化剂可具有不同的电荷；然而，在各种实施方案中，树脂和硬化剂包含相同符号的抗衡离子，其可提供结合电荷的聚合物。
[0069]
图8(a)和图8(b)中示出了两个示例性系统，图8(a)描述了具有溴抗衡离子的四氨基芳族交联剂，图8(b)示出了二环氧化物咪唑鎓十二烷基硫酸盐il。当将这两种离子液体混合时，它们反应，形成一种离聚物，其机械性质类似于市售的环氧聚合物，但具有大的象性(iconicity)和显著的吸湿性。
[0070]
在各种实施方式中，可穿戴水生成装置可包括基于siler的离子聚合物体系，其在硬化剂化合物和环氧化合物聚合时具有固有地形成的规则孔隙率(例如中孔率)。图9(a)和图9(b)示出了合成的siler聚合物，以及其在中观和微观尺度上的孔隙结构。特别地，图9(a)描绘了如此合成的多孔siler聚合物的图像，并且图9(b)示出了相同siler聚合物的显微照片。
[0071]
图10描绘了用于吸附剂材料组分的以下四种示例性的基于siler的离聚物聚合物体系的示例性的一组水蒸气吸收等温线(在％相对湿度范围内的水吸收质量％)的图：溴化咪唑鎓硬化剂(3imnhbr)，线性三乙基甲基铵交联剂(trinh2br)和两种siler聚合物(10:9:1树脂:硬化剂:交联剂：一种使用bf4树脂(bf4聚合物+10％p4448br)，而另一种使用相同的pf6型号(pf6聚合物)。
[0072]
在各种实施方案中，吸附剂材料的水吸收可通过改变交联剂、硬化剂、树脂阴离子和/或il的w/w％所涵盖的范围(w/w％inclusion)来调整。当rh扫描的方向反转时，所有样品的水吸收质量变化(δm/m0)相对于rh图的行为没有明显的滞后，这证实水吸收/解吸过程中的热力学可逆性。
[0073]
如图10所示，线性交联剂和溴化咪唑鎓硬化剂分别显示出127％和90％的最大水吸收。聚合物表现出依赖于树脂阴离子的行为。具有最疏水阴离子的聚合物(pf6)具有27％的最大δm/m0值(90％rh)(并且未显示，较不疏水的(bf4)聚合物为接近三倍高，在相同的相对湿度下为76％)。
[0074]
此外，如图10所示，当聚合物组合物中包括另外的离子液体(非反应性的)时，可改变材料的整体亲水性。例如，10％w/w的更疏水的离子液体如p4448br和p4448ibu的存在可将bf4聚合物的水吸收从90％rh下的75％降低到相同条件下的52-55％。
[0075]
本系统的吸附剂材料可包含以任何期望配置的任何期望介质(例如，使得吸湿材料、干燥剂或吸附介质能够吸附和解吸水)。在可穿戴水生成装置的一些实施方式中，吸湿或吸附剂材料能够在第一温度和/或压力下吸附并且在第二温度和/或压力下解吸。吸附剂
材料可作为液体、固体和/或其组合提供。吸湿材料可作为浸渍有吸湿材料的多孔固体提供。对于另外的示例，吸附剂材料可包括一种或多种选自下的材料：离子液体，二氧化硅，硅胶，氧化铝，氧化铝凝胶，蒙脱石粘土，沸石，分子筛，金属有机骨架，活性炭，金属氧化物，锂盐，钙盐，钾盐，钠盐，镁盐，磷酸盐，有机盐，金属盐，甘油，二醇，亲水聚合物，多元醇，聚丙烯纤维，纤维素纤维，其衍生物，以及其组合。在一些实施方案中，可选择和/或配置吸湿材料以避免吸附某些分子(例如，当被人消耗时可能有毒的那些分子)。
[0076]
在可部署、高效的可穿戴水生成装置中采用基于siler的吸附剂材料有几个优点。首先，siler材料中的吸收等温线是化学的固有性质；因为吸附是由有机盐的电荷筛选驱动的，所以它是材料的整体性质，并且是一种不可中毒或以其他方式延迟的吸收过程，就像依赖于清洁、分子稳定的表面性质的中孔吸附方法一样。另外，自由体积驱动的类液体传输动力学和产生高度交联和稳定的分级多孔结构的能力相结合，意味着吸收动力学是快的。siler材料既可综合设计以实现热力学，也可通过工程设计实现感兴趣的动力学，这一事实使它们适合于可穿戴水生成装置装置。在各种实施方案中，siler材料的使用与本文所述的开放回路热力学循环有关，产生高效的可穿戴水生成装置。
[0077]
本公开内容进一步提供了用于操作可穿戴水生成装置以从空气生成液体水的方法或过程。在各种实施方案中，可穿戴水生成装置100包括控制器104，控制器104被配置为控制可穿戴水生成装置100以最大化来自冷凝器140的液体水的生产。在各种实施方案中，控制器104通过调节吸附剂室110内的吸附剂材料112上或上方的水蒸气相对于减压条件(例如，由真空泵120引起的)的分压来最大化液体水的生产。
[0078]
在各种实施方案中，用于操作可穿戴水生成装置100的方法包括通过将吸附剂室110中的压力维持在低于吸附剂室110周围的大气压以使得在加载操作期间被吸附剂材料112捕获的水蒸气接近蒸气压饱和来形成减压条件。在各种实施方案中，在吸附剂室110内形成减压条件，使得减压条件增加被吸附剂材料112捕获或相对于吸附剂材料112的水的蒸气压与吸附剂室110的内部容积中的水蒸气分压的比率。在各种实施方案中，在吸附剂室110的内部容积内形成减压条件，使得减压条件增加被吸附剂材料112捕获的水的蒸气压与吸附剂室110的内部容积中的总压力的比率。在各种实施方案中，减压条件是低于约0.8atm、约0.7atm或约0.6atm(其中“约”意指+/-0.05atm)的压力。在各种实施方案中，减压条件是低于约0.5atm(其中“约”意指+/-0.05atm)的压力。此外，在一些实施方案中，减压条件在0.1和0.8atm之间。
[0079]
如本文所理解的，水蒸气压或水的平衡蒸气压是在给定温度下水蒸气与其位于吸湿或吸附剂材料中的冷凝相或相对于吸湿或吸附剂材料处于热力学平衡时所施加的压力。如本文所理解的，吸附剂室中的水蒸气分压是气体混合物中的水蒸气在单独占据吸附剂室的情况下将施加的压力。如本文所理解的，吸附剂室的内部容积中的总压力是混合物中所有气体的分压之和。
[0080]
图11说明了根据某些实施方案的从处理气体(例如，环境空气)生产液体水的示例性方法200的流程图。方法200仅仅是示例性的并且不限于本文所呈现的实施方案。方法200可用于本文未具体描绘或描述的许多不同实施方案或示例中。在一些实施方案中，方法200的动作以所呈现的顺序进行。在其他实施方案中，方法200的动作可以任何其他合适的顺序进行。在其他实施方案中，方法200中的一个或多个动作可被组合、跳过或省略。在许多实施
方案中，方法200可用与图3、图4的可穿戴水生成装置100或其衍生装置相似或相同的装置和/或系统来进行。
[0081]
在各种实施方案中，方法200包括提供可穿戴水生成装置的操作或动作210，所述装置包括吸附剂室和保持在吸附剂室内的吸附剂材料，以及可操作地耦合至吸附剂室的内部容积的冷凝器。在一些实施方案中，该系统与图3或4的可穿戴水生成装置100相似或相同。
[0082]
在各种实施方案中，方法200包括在加载时间或循环期间将处理气体(例如，环境空气)输入到吸附剂室的动作220(即，用于通过吸附剂材料吸收水)。在各种实施方案中，方法200包括在释放时间或循环期间将吸附剂室暴露于热能源(例如，低等级体热)的动作230(即，用于从吸附剂材料解吸水)。在各种实施方案中，方法200进一步包括在释放时间或循环期间在吸附剂室内形成减压条件的动作240(即，用于从吸附剂材料解吸水)。在各种实施方案中，方法200包括在释放时间期间将水蒸气从吸附剂室输出到冷凝器的动作250。在各种实施方案中，方法200包括重复方法200的任何一个或多个步骤，直到达到期望体积的液体水。
[0083]
用于在水蒸气释放到吸附剂室中期间操作可穿戴水生成装置100的各种方法包括将吸附剂室内的压力保持在低于吸附剂材料在加载时间期间所暴露的大气水蒸气压力的压力。在各种实施方案中，方法200包括动作240，其包括激活泵以将吸附剂室排空至处于或低于大气压的压力。在各种实施方案中，方法200可进一步包括在释放时间期间将载气漏泄物(例如，160)引入到吸附剂室110中的动作。例如，在一些实施方案中，当吸附剂室110的内部容积处于负压(例如，相对于大气压)下时，来自大气(例如，经由160处的入口)或其他地方的载气在释放时间期间输入到吸附剂室110中。不希望受任何特定理论的束缚，吸湿材料吸入的水蒸气和泄漏(漏泄物)载气混合物可在吸附剂室110内和/或在冷凝器140内产生升高的总压力。一旦混合物经由真空泵120被移动到高压条件，例如到冷凝器(凝结器)140，则升高的总压力可导致水蒸气向液体水的相变。
[0084]
在各种实施方案中，用于操作水生成装置100的方法包括通过调节泵速(例如，经由控制器104调节真空泵120)和/或调节进入到吸附剂室110中的载气的流速(例如，经由通过控制器104控制的160)来调节减压条件，以连续驱动从吸附剂材料112有效地释放和捕获水蒸气。在各种实施方案中，形成、优化和/或调整吸附剂室110内的减压条件包括控制泵速以增加吸附剂材料112上或上方的水蒸气的分压与吸附剂室110中的气体中设置的水蒸气分压的比率。这样的增加的比率可增加在释放时间期间从吸附剂室110输出的水蒸气。在各种实施方案中，水生成装置100被配置为通过调节吸附剂室110内的减压条件，例如通过确定或调节泄漏的或输入到吸附剂室110的内部容积中的载气的速率(例如经由入口160)来提高冷凝器140处的液体水生产的效率。
[0085]
在一个示例中，用于操作可穿戴水生成装置100的方法包括通过确定(例如，通过装置控制器)穿戴者的体热、温度或代谢率已经增加到高于预定阈值来调节减压条件，以及作为响应，减少引导至泵送装置的能量(例如，来自机载装置电池)的量以降低吸附剂室内的压力。在另一个示例中，用于操作可穿戴水生成装置100的方法包括确定(例如，通过控制器)穿戴者的体热、温度或代谢率已经降低到低于预定阈值，以及作为响应，激活泵送装置以降低吸附剂室内的压力。在又一个示例中，用于操作可穿戴水生成装置100的方法包括确
定(例如，通过装置控制器)被吸附剂材料所保持的水的量(amount)或量(quantity)(例如，经由基于已知的吸附剂材料性质和压力和/或温度的解吸-吸收质量的守恒计算)，以及作为响应，确定吸附剂室压力设定点(例如，响应于体热或温度的降低而降低腔室压力，响应于体热或温度的增加而增加腔室压力，等等)。
[0086]
以上说明书和示例提供了对示例性实施方案的结构和使用的完整描述。尽管以上已经以一定程度的特殊性或参考一个或多个单独的实施方案描述了某些实施方案，但是本领域技术人员可以对所公开的实施方案进行多种改变而不脱离本发明的范围。因此，方法和系统的各种说明性实施方案不旨在限于所公开的特定形式。相反，它们包括落入权利要求范围内的所有修改和替代方案，并且除了所示实施方案之外的实施方案可包括所描绘实施方案的一些或全部特征。例如，要素(元件)可被省略或组合为单一结构，和/或连接可被取代。此外，在适当的情况下，上述任何示例的方面可与所描述的任何其他示例的方面结合以形成具有可比较或不同的性质和/或功能并且解决相同或不同问题的进一步示例。类似地，应理解，上述益处和优点可涉及一个实施方案或可涉及几个实施方案。
[0087]
权利要求不旨在包括并且不应被解释为包括装置+功能限制或步骤+功能限制，除非在给定权利要求中分别使用短语“装置用于”或“步骤用于”。