研究顯示：太陽能系統可以提供一種廉價的脫鹽途徑

　　目前，估計全球有三分之二的人類受到水資源短缺的影響，發展中國家也面臨著缺乏可靠電力的問題。因此，大量的科研工作集中在如何使用太陽能來淡化海水或微咸水來以制造淡水。然而，許多此類努力都遇到了由鹽堆積引起的設備結垢問題，這通常會增加問題的復雜性。

　　現在，麻省理工學院和中國的一組研究人員提出了解決鹽分積累問題的方法——并在此過程中開發了一種海水淡化系統，該系統比以前的太陽能海水淡化方法更高效、更便宜。該過程還可用于處理受污染的廢水或產生蒸汽對醫療器械進行消毒。

　　麻省理工學院研究生Lenan Zhang、博士后Xiangyu Li、機械工程教授Evelyn Wang和其他四人在Nature Communications雜志上描述了這些發現。

　　“已經有很多關于各種設備的高性能、防鹽、基于太陽能的蒸發設計的演示。”Wang說。“挑戰一直在于鹽污染(結垢)問題，人們還沒有真正解決。”

　　太陽能海水淡化系統的許多嘗試都依賴于某種燈芯將鹽水吸過裝置，但這些燈芯很容易受到鹽分積累的影響，并且相對難以清潔。該團隊專注于開發無燈芯系統。

　　結果是一個分層系統，頂部有深色材料以吸收太陽的熱量，然后在穿孔材料層上方有一層薄薄的水，位于水箱或池塘等咸水水庫的頂部。經過仔細的計算和實驗，研究人員確定了在穿孔材料中鉆孔的最佳尺寸，在他們的測試中，穿孔材料是由聚氨酯制成的。這些孔直徑為2.5毫米，可以使用常用的水刀輕松制造。

　　這些洞足夠大，可以在較熱的上層水和下面較冷的水庫之間進行自然對流循環。這種循環自然地將鹽從上面的薄層吸入到下面更大的水體中，在那里它被充分稀釋，不再是問題。“它使我們能夠實現高性能，同時也防止鹽分積累。”機械工程系教授兼主任Wang說。

　　Li說，該系統的優勢在于“高性能和可靠運行，特別是在極端條件下，我們實際上可以使用接近飽和的鹽水。這意味著它對于廢水處理也非常有用。”

　　他補充說，這種太陽能海水淡化的許多工作都集中在新型材料上。“但在我們的案例中，我們使用的材料成本非常低，幾乎是家用的。人們說你總是需要新材料、昂貴的材料，或者復雜的結構或吸濕排汗結構來做到這一點。我相信，這是第一個在沒有吸濕排汗結構的情況下做到這一點的材料。”

　　休斯頓大學化學和生物分子工程教授Hadi Ghasemi說，這種新方法“為高鹽度溶液的脫鹽提供了一條有前途且有效的途徑，并可能改變太陽能海水淡化的游戲規則”。于是有了這項工作。“但還需要進一步的工作來評估這一概念。”他補充道。

　　Zhang解釋說，就像熱空氣上升和冷空氣下降一樣，自然對流推動了該裝置的脫鹽過程。在靠近頂部的承壓水層中，“蒸發發生在最頂部界面。由于鹽分，最頂部界面水的密度較高，而底部水的密度較低。所以，這是一個原始的自然對流過程，因為頂部較高的密度會驅使含鹽液體下降。”然后可以將系統頂部蒸發的水收集在冷凝表面上，從而提供純凈的淡水。

　　鹽分進入下面的水中也可能導致熱量在這個過程中流失，因此需要仔細的工程來防止這種情況發生，包括用高度絕緣的材料制作穿孔層以保持熱量集中在上面。頂部的太陽能加熱是通過涂上一層簡單的黑色油漆完成的。

　　到目前為止，該團隊已經使用小型臺式設備證明了這一概念，因此下一步將開始擴大到可能具有實際應用的設備。他們說，根據他們的計算，一個只有1平方米面積的系統應該足以滿足一個家庭的日常飲用水需求。Zhang說，他們計算出，一個1平方米的設備所需的材料只需4美元左右。

　　Li說，他們的測試設備運行了一周，沒有任何鹽分積累的跡象。而且該設備非常穩定。“即使我們施加一些極端的擾動，比如海水或湖面上的波浪，”這種裝置可以安裝成一個浮動平臺，“它也可以很快回到原來的平衡位置。”他說。

　　Zhang說，將這種實驗室里的概念商業化，相應的工作應該可以在幾年內完成。第一個應用可能是在偏遠的離網地區提供安全用水，或者在颶風、地震或其他正常供水中斷后的救災場景。

　　Zhang補充說，“如果我們能把陽光稍微集中一點，我們就可以利用這種無源設備產生高溫蒸汽，為離網農村進行醫療消毒。”

　　“我認為真正的機會是發展中國家。”Wang說。“我認為這是近期最有可能應用的地方，因為設計很簡單。”但是，她補充說，“如果我們真的想把它付諸實際，我們還需要與最終用戶合作，才能真正采用我們設計的方式，讓他們愿意使用它。”

　　該團隊還包括麻省理工學院的Yang Zhong，Arny Leroy和Lin Zhao，以及上海交通大學的Zhenyuan Xu。這項工作得到了新加坡-麻省理工學院研究與技術聯盟、美國-埃及科技聯合基金的支持，并使用了國家科學基金會支持的設施。

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