海水淡化技术升级

来源:环球科学

预计到2025年，全球将有三分之二的人口面临获取淡水的问题，而把海水和地下水中的盐分和污染物去除，是缓解人类淡水危机的方法之一。

然而，目前大型海水淡化厂的建设成本高达数百万美元。这类工厂大都使用了反渗透技术，这是一道需要施压让海水挤过反渗透膜的技术，所需的电力成本几乎占到了整个工厂开支的一半。这道工序还会产生一种含有有害化学物的浓盐水，可能危害当地的生态系统。此外，反渗透工厂通常需要利用化石燃料供能，这会产生大量的碳排放。尽管各国的工程师已经开始采取行动（特别是在亚洲和非洲地区）用太阳能电池板替代化石燃料，但是这么做并不能解决有毒物质的排放问题，甚至会产生额外的成本。

为此，研究人员正在尝试以更直接的方式利用太阳能。其中最简单的方式是利用蒸发作用，蒸出淡水，留下盐和污染物。数百年来，人类一直都在使用这种被称为太阳能蒸馏的技术。沙特阿拉伯目前正在建造一面巨大的反射镜，这个装置会将太阳光聚集到一个足球场大小的钢制玻璃穹顶上，汇聚后的热量可以使其中的海水蒸发。

为了让这个过程变得更便宜、简单、便携，从而让高质量的海水淡化技术在全世界广泛应用，研究人员也在尝试使用新的材料和设计。娜奥米·哈拉斯（Naomi Halas）是美国莱斯大学的电气与计算机工程师，她说：“发展中国家对淡水资源需求量巨大，太阳能热技术不仅可以降低海水淡化过程对能源的需求，还可以在远离电网的偏远地区使用。”

由美国能源部主办的太阳能海水淡化奖（Solar Desalination Prize）即将宣布半决赛人选，这场比赛的目标是开发出能以1.5美元的成本生产1000升可用水的系统。莱斯大学的土木与环境工程师李琪琳说：“现在没有任何技术能以如此低成本处理高浓度盐水。”

美国能源部可再生能源实验室的克雷格·图尔希（Craig Turchi）表示，太阳能系统可以克服反渗透技术的一大缺点。因为反渗透技术一般只能淡化输入量一半左右的水资源，剩下的盐分会逐渐富集堵塞反渗透膜。这种有毒的副产品被称为卤水，通常会被倾倒进海洋，或者注入地下。而太阳能淡化系统可以净化海水含盐量两倍以上的盐水。美国能源部发言人梅根·休斯（Meghan Hughes）表示，这个标准将涵盖来自反渗透工厂的盐水和美国西南等地的地下盐水，以及一些反渗透技术无法处理的农业和工业废水。他说：“一般而言，只有热驱动技术，也就是我们正在开发的一些技术，才能处理这些高浓度盐水。”

哈拉斯和李琪琳已经制造出了一种太阳能海水淡化装置，装置上有一张多孔的塑料膜，可以让水蒸气通过同时阻拦其他物质。薄膜的一侧覆盖着微小的碳颗粒，可以吸收太阳光的热量，使与它接触的盐水更容易蒸发。通过薄膜后水蒸气会在另一侧凝结成淡水。最近，哈拉斯的研究团队在薄膜上引入了塑料透镜，太阳光的聚集性更好，产生的热量也更多，这使系统的效率提高了50%。

研究团队的计算结果表明，他们有望在几年内达到美国能源部的成本目标，也就是在一平米大小的装置里，每小时处理出20升的淡水。哈拉斯说：“我们现在更像是处于福特的T型车阶段，而不是跑车阶段。但这已经足以激发从事商业开发的机构的兴趣了。”

戴维·亚希波（David Jassby）是美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的土木与环境工程师，他的团队使用了类似的方法将导热材料整合到薄膜中。在薄膜下方，研究人员添加了一张能被太阳光加热的细铝网。他说：“这样就可以把薄膜卷成螺旋状的模块，不必大面积地直接暴露在太阳光下。”在屋顶测试中，每平米薄膜每小时可以处理出9升淡水。

这样的系统适用于亚洲和非洲远离电网的村庄，美国西南部地下水盐度较高的区域，以及任何需要紧急使用淡水的环境。但麻省理工学院机械工程师伊夫琳·王（Evelyn Wang）实验室的研究生张乐楠（Lenan Zhang，音译）表示，这项技术还需要加快研究步伐，以更有效的方式让太阳能转化出水蒸汽。

张乐楠表示，伊夫琳·王的团队“会不断重复利用能源”提高转化效率。他们研发的设备包括10个尼龙结构，每个结构都有一片黑色的太阳能吸收层、一层纸巾和一张铝膜。在加热过程中，黑色吸收层将纸巾中的盐水蒸发，蒸汽凝结在铝膜上。水蒸气冷凝放热，热量传递到下一层纸巾协助蒸发，而不是白白流失。张乐楠表示，价值100美元的装置每小时可以处理出6升淡水。如果使用更复杂的材料和设计，效率还有可能提高一倍。

另一种有趣的方法利用了加湿的过程，可以使干燥的空气通过盐水喷雾实现提纯。俄勒冈州立大学机械工程师巴赫曼·阿巴西（Bahman Abbasi）说：“空气会吸收水分，但不会吸收固体盐分。”他设计的系统利用太阳能加热、压缩盐水和空气的混合物，并从喷嘴高速射出。这个过程会产生一个漩涡，当空气上升冷凝时，盐分等固体就会被推到设备的另一个壁面上。实验表明，这种背包大小的装置可净化含盐度达到海水3倍的盐水，每小时能生产约20升淡水。

这些成本相对低廉的技术都可以为便携式净水器或离网应用打开新的市场。图尔希表示，相关技术最终也有可能打造出大规模的太阳能净水系统，为城市提供饮用水。目前，这些技术“将作为反渗透技术的补充，在反渗透技术难以发挥的一些场景展现自身的价值。