科學(xué)研究：用太陽能凈水

圖片來源：Pixabay
在這個日益炎熱和擁擠的世界里，淡水逐漸變成了一種珍貴的資源。預(yù)計到2025年，全球?qū)⒂腥种娜丝诿媾R獲取淡水的問題，而把海水和地下水中的鹽分和污染物去除，是緩解人類淡水危機(jī)的方法之一。
然而，目前大型海水淡化廠的建設(shè)成本高達(dá)數(shù)百萬美元。這類工廠大都使用了反滲透技術(shù)，這是一道需要施壓讓海水?dāng)D過反滲透膜的技術(shù)，所需的電力成本幾乎占到了整個工廠開支的一半。這道工序還會產(chǎn)生一種含有有害化學(xué)物的濃鹽水，可能危害當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)。此外，反滲透工廠通常需要利用化石燃料供能，這會產(chǎn)生大量的碳排放。盡管各國的工程師已經(jīng)開始采取行動（特別是在亞洲和非洲地區(qū)）用太陽能電池板替代化石燃料，但是這么做并不能解決有毒物質(zhì)的排放問題，甚至?xí)a(chǎn)生額外的成本。
為此，研究人員正在嘗試以更直接的方式利用太陽能。其中最簡單的方式是利用蒸發(fā)作用，蒸出淡水，留下鹽和污染物。數(shù)百年來，人類一直都在使用這種被稱為太陽能蒸餾的技術(shù)。沙特阿拉伯目前正在建造一面巨大的反射鏡，這個裝置會將太陽光聚集到一個足球場大小的鋼制玻璃穹頂上，匯聚后的熱量可以使其中的海水蒸發(fā)。


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為了讓這個過程變得更便宜、簡單、便攜，從而讓高質(zhì)量的海水淡化技術(shù)在全世界廣泛應(yīng)用，研究人員也在嘗試使用新的材料和設(shè)計。娜奧米·哈拉斯（Naomi Halas）是美國萊斯大學(xué)的電氣與計算機(jī)工程師，她說：“發(fā)展中國家對淡水資源需求量巨大，太陽能熱技術(shù)不僅可以降低海水淡化過程對能源的需求，還可以在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)使用。”
由美國能源部主辦的太陽能海水淡化獎（Solar Desalination Prize）即將宣布半決賽人選，這場比賽的目標(biāo)是開發(fā)出能以1.5美元的成本生產(chǎn)1000升可用水的系統(tǒng)。萊斯大學(xué)的土木與環(huán)境工程師李琪琳說：“現(xiàn)在沒有任何技術(shù)能以如此低成本處理高濃度鹽水?！?br> 美國能源部可再生能源實驗室的克雷格·圖爾希（Craig Turchi）表示，太陽能系統(tǒng)可以克服反滲透技術(shù)的一大缺點。因為反滲透技術(shù)一般只能淡化輸入量一半左右的水資源，剩下的鹽分會逐漸富集堵塞反滲透膜。這種有毒的副產(chǎn)品被稱為鹵水，通常會被傾倒進(jìn)海洋，或者注入地下。而太陽能淡化系統(tǒng)可以凈化海水含鹽量兩倍以上的鹽水。美國能源部發(fā)言人梅根·休斯（Meghan Hughes）表示，這個標(biāo)準(zhǔn)將涵蓋來自反滲透工廠的鹽水和美國西南等地的地下鹽水，以及一些反滲透技術(shù)無法處理的農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢水。他說：“一般而言，只有熱驅(qū)動技術(shù)，也就是我們正在開發(fā)的一些技術(shù)，才能處理這些高濃度鹽水?！?br> 哈拉斯和李琪琳已經(jīng)制造出了一種太陽能海水淡化裝置，裝置上有一張多孔的塑料膜，可以讓水蒸氣通過同時阻攔其他物質(zhì)。薄膜的一側(cè)覆蓋著微小的碳顆粒，可以吸收太陽光的熱量，使與它接觸的鹽水更容易蒸發(fā)。通過薄膜后水蒸氣會在另一側(cè)凝結(jié)成淡水。最近，哈拉斯的研究團(tuán)隊在薄膜上引入了塑料透鏡，太陽光的聚集性更好，產(chǎn)生的熱量也更多，這使系統(tǒng)的效率提高了50%。


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研究團(tuán)隊的計算結(jié)果表明，他們有望在幾年內(nèi)達(dá)到美國能源部的成本目標(biāo)，也就是在一平米大小的裝置里，每小時處理出20升的淡水。哈拉斯說：“我們現(xiàn)在更像是處于福特的T型車階段，而不是跑車階段。但這已經(jīng)足以激發(fā)從事商業(yè)開發(fā)的機(jī)構(gòu)的興趣了?！?br> 戴維·亞希波（David Jassby）是美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的土木與環(huán)境工程師，他的團(tuán)隊使用了類似的方法將導(dǎo)熱材料整合到薄膜中。在薄膜下方，研究人員添加了一張能被太陽光加熱的細(xì)鋁網(wǎng)。他說：“這樣就可以把薄膜卷成螺旋狀的模塊，不必大面積地直接暴露在太陽光下?！痹谖蓓敎y試中，每平米薄膜每小時可以處理出9升淡水。
這樣的系統(tǒng)適用于亞洲和非洲遠(yuǎn)離電網(wǎng)的村莊，美國西南部地下水鹽度較高的區(qū)域，以及任何需要緊急使用淡水的環(huán)境。但麻省理工學(xué)院機(jī)械工程師伊夫琳·王（Evelyn Wang）實驗室的研究生張樂楠（Lenan Zhang，音譯）表示，這項技術(shù)還需要加快研究步伐，以更有效的方式讓太陽能轉(zhuǎn)化出水蒸汽。
張樂楠表示，伊夫琳·王的團(tuán)隊“會不斷重復(fù)利用能源”提高轉(zhuǎn)化效率。他們研發(fā)的設(shè)備包括10個尼龍結(jié)構(gòu)，每個結(jié)構(gòu)都有一片黑色的太陽能吸收層、一層紙巾和一張鋁膜。在加熱過程中，黑色吸收層將紙巾中的鹽水蒸發(fā)，蒸汽凝結(jié)在鋁膜上。水蒸氣冷凝放熱，熱量傳遞到下一層紙巾協(xié)助蒸發(fā)，而不是白白流失。張樂楠表示，價值100美元的裝置每小時可以處理出6升淡水。如果使用更復(fù)雜的材料和設(shè)計，效率還有可能提高一倍。
另一種有趣的方法利用了加濕的過程，可以使干燥的空氣通過鹽水噴霧實現(xiàn)提純。俄勒岡州立大學(xué)機(jī)械工程師巴赫曼·阿巴西（Bahman Abbasi）說：“空氣會吸收水分，但不會吸收固體鹽分。”他設(shè)計的系統(tǒng)利用太陽能加熱、壓縮鹽水和空氣的混合物，并從噴嘴高速射出。這個過程會產(chǎn)生一個漩渦，當(dāng)空氣上升冷凝時，鹽分等固體就會被推到設(shè)備的另一個壁面上。實驗表明，這種背包大小的裝置可凈化含鹽度達(dá)到海水3倍的鹽水，每小時能生產(chǎn)約20升淡水。
這些成本相對低廉的技術(shù)都可以為便攜式凈水器或離網(wǎng)應(yīng)用打開新的市場。圖爾希表示，相關(guān)技術(shù)最終也有可能打造出大規(guī)模的太陽能凈水系統(tǒng)，為城市提供飲用水。目前，這些技術(shù)“將作為反滲透技術(shù)的補充，在反滲透技術(shù)難以發(fā)揮的一些場景展現(xiàn)自身的價值。
撰文：普拉杰·帕特勒（Prachi Patel）
翻譯：巢栩嘉
文章來源：環(huán)球科學(xué)


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