MIT科学家开发非毛细海水淡化系统，可高效脱盐，1平方米用料成本仅约4美元
据联合国粮农组织《2020 年粮食及农业状况》报告显示，全球约三分之二的人口可能将面临缺水问题，而生活在发展中国家缺水区域的人们还面临缺乏可靠电力的问题。因此，在解决人们缺水问题的同时，还需兼顾电力保障，众多科研工作者将视线聚焦在利用太阳热能淡化海水或苦咸水的策略上。
值得关注的是，该策略具有一定的缺陷，许多科研工作者都曾遇到过，由盐沉积引起的设备结垢问题，这往往会增加海水淡化的复杂性和生产成本。是否能发明一种既高效又便宜的海水淡化设备，成为众科研工作者探讨的焦点。
近日，麻省理工学院（MIT）联合上海交通大学的研究团队找到一种解决“盐积累”问题的方法。经过长期研究及反复测试后，他们终于发明了一种新型海水淡化系统，与以前的太阳能脱盐方法相比，该系统的效率更高，成本更低。
图 | 食用色素展示流体流动
这幅图形象地用食用染料展示了流动原理，左图显示了染色的去离子水从顶部到底部散装水的缓慢传输，右图则显示了在自然对流作用下，染色的盐水从顶部快速输送到底部的去离子水。
据悉，按照该团队的估算方式，一个仅有 1 平方米收集面积的海水淡化系统，可以满足一个家庭的日常饮用水需求，如此高效的前提下，一平方米的设备所需的材料成本只需 4 美元左右。
这一系统不仅可以用于海水淡化处理， 也可用作污水处理或制备消毒医疗器械。该系统最大的价值是，除了太阳光本身之外，所有这些目的的实现都无需消耗任何能源。
2 月 14 日，相关论文以《通过非毛细结构实现高效且无盐的太阳能蒸发》（Highly efficient and salt rejecting solar evaporation via a wick-free confined water layer）为题发表在 Nature Communications 上，该研究成果由 MIT 博士研究生张乐楠、博士后李翔宇、机械工程系教授伊夫林・王（Evelyn Wang）等人共同合作完成。
图 | 相关论文
此前，大多数太阳能脱盐系统的研究，是通过某种毛细结构来吸收盐水的，但是这些毛细结构的表面容易聚集很多盐垢，而这些盐垢很难清洁。
伊夫林表示：“目前，市场上有很多真正高性能的、抗盐的、基于太阳能的蒸发等各种设计设备的演示，几乎都存在盐污染问题，科研工作者们还无法真正解决这个难题。我们关注到了这些非常有吸引力的性能，但是这些设备的寿命会受到盐垢的影响而大大缩短。”
于是，该团队尝试换一种思路来解决此类痛点，他们开始专注开发一种非毛细海水淡化系统。将绝热材料涂黑用于吸收太阳光热量。同时绝热层上方形成一个薄水层，利用通孔连通上下的盐水，整个系统可以浮在蓄水池或池塘。
图 | 用于太阳蒸发的非毛细结构
做测试的时候，该团队选用了由聚氨酯制成的材料，经过仔细计算及大量实验，研究人员确定了 2.5mm 为孔径的理想尺寸。
这些孔可以让不同温度的上下层盐水之间，按照一定的规律进行循环，将上层积累的盐分释放下面更大的水体中，这样水分蒸发剩下的这样水分蒸发剩下的盐有望控制在合适的范围之内。利用这样的原理，非毛细海水淡化系统可以更好地避免盐分聚集产生的析出问题。
伊夫林表示：“这种非毛细海水淡化系统不仅可以实现高性净化海水，也可以防止盐垢的积累。”
李翔宇称，“该系统最大的亮点是兼具高性能和可靠运行，尤其是在极端条件下，可以处理接近饱和的盐水，这意味着它也可用于废水处理。”
其实，传统的净化设备所使用的新材料价格十分昂贵，系统结构也很复杂，而该团队的非毛细海水淡化系统所用材料成本非常之低，几乎使用的都是家用材料，这是此次研究策略的一大重要突破。
图 | 非毛细结构的展示
张乐楠说：“自然对流驱动的脱盐，和热空气上升，冷空气下降是同样的原理。由于水在蒸发，上层的盐度和密度较高，下层密度较低，驱动了自然对流，使得顶部的高浓度盐水下降。从系统顶部蒸发的水可以收集到冷凝表面，以提供纯净的淡水。”
截至目前，该团队已经通过一个小型台式设备证明了他们的设想，下一步将注重在实际应用场景方面发力。
在不久的将来，该团队发明的海水净化有望应用于远离电网的偏远地区，并为这里的人们提供安全用水，或在因飓风、地震导致正常供水中断后用于救灾。
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参考：
1.Lenan Zhang, Xiangyu Li, et al, Nature Communications 13,849（2022）
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28457-8
https://techxplore.com/news/2022-02-solar-powered-route-inexpensive-desalination.html
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