太阳能系统提供了一种廉价的海水淡化途径
估计三分之二的人类受到水资源短缺的影响，发展家的许多此类地区也面临着缺乏可靠电力的问题。因此，广泛的研究工作集中在仅使用太阳能热来淡化海水或微咸水的方法上。然而，许多此类努力都遇到了由盐堆积引起的设备结垢问题，这通常会增加复杂性和费用。
现在，麻省理工学院和的一组研究人员提出了解决盐分积累问题的方法，并在此过程中开发了一种海水淡化系统，该系统比以前的太阳能海水淡化方法更高效、更便宜。该过程还可用于处理受污染的废水或产生蒸汽以对医疗器械进行消毒，所有这些都不需要阳光本身以外的任何电源。
这些发现今天发表在《自然通讯》杂志上，由麻省理工学院研究生张丽南、博士后李翔宇、机械工程教授 Evelyn Wang 和其他四人撰写。
“已经有很多关于各种设备的高性能、防盐、基于太阳能的蒸发设计的演示，”王说。“挑战一直是盐污染问题，人们还没有真正解决。所以，我们看到了这些非常有吸引力的性能数据，但由于寿命长，它们往往受到限制。随着时间的推移，事情会变脏。”
太阳能海水淡化系统的许多尝试都依赖于某种灯芯将盐水吸过装置，但这些灯芯很容易受到盐分积累的影响，并且相对难以清洁。该团队专注于开发无灯芯系统。结果是一个分层系统，顶部有深色材料以吸收太阳热量，然后在穿孔材料层上方有一层薄薄的水，位于水箱或池塘等咸水的深水库顶部。经过仔细的计算和实验，研究人员确定了在穿孔材料中钻孔的最佳尺寸，在他们的测试中，穿孔材料是由聚氨酯制成的。这些孔直径为 2.5 毫米，可以使用常用的水刀轻松制造。
这些洞足够大，可以在较热的上层水和下面较冷的水库之间进行自然对流循环。这种循环自然地将盐从上面的薄层吸入到下面更大的水体中，在那里它被充分稀释，不再是问题。“它使我们能够实现高性能，同时也防止盐分积累，”福特工程教授兼机械工程系主任王说。
李说，该系统的优势在于“高性能和可靠运行，特别是在极端条件下，我们实际上可以使用接近饱和的盐水。这意味着它对于废水处理也非常有用。”
他补充说，这种太阳能海水淡化的许多工作都集中在新型材料上。“但在我们的案例中，我们使用的材料成本非常低，几乎是家用的。” 他说，关键是分析和理解驱动这个完全被动系统的对流流动。“人们说你总是需要新材料，昂贵的材料，或者复杂的结构或芯吸结构来做到这一点。我相信，这是第一个在没有芯吸结构的情况下做到这一点的材料。”
休斯顿大学化学和生物分子工程教授哈迪·加塞米说，这种新方法“为高盐度溶液的脱盐提供了一条有前途且有效的途径，并可能改变太阳能海水淡化的游戏规则”。有了这项工作。“需要进一步的工作来在大型环境和长期评估这一概念，”他补充道。
张解释说，就像热空气上升和冷空气下降一样，自然对流推动了该装置的脱盐过程。在靠近顶部的承压水层中，“蒸发发生在最顶部界面。由于盐分，最顶部界面的水密度较高，而底部水的密度较低。所以，这是一个原始的这种自然对流的驱动力，因为顶部较高的密度会驱使含盐液体下降。” 然后可以将系统顶部蒸发的水收集在冷凝表面上，从而提供纯净的淡水。
盐分进入下面的水中也可能导致热量在这个过程中流失，因此需要仔细的工程来防止这种情况发生，包括用高度绝缘的材料制作穿孔层以保持热量集中在上面。顶部的太阳能加热是通过一层简单的黑色油漆完成的。
到目前为止，该团队已经使用小型台式设备证明了这一概念，因此下一步将开始扩大到可能具有实际应用的设备。他们说，根据他们的计算，一个只有 1 平方米(约 1 平方码)收集面积的系统应该足以满足一个家庭的日常饮用水需求。张说，他们计算出，一个 1 平方米的设备所需的材料只需 4 美元左右。
李说，他们的测试设备运行了一周，没有任何盐分积累的迹象。而且该设备非常稳定。“即使我们施加一些极端的扰动，比如海水或湖面上的波浪，”这种装置可以安装为一个浮动平台，“它也可以很快回到原来的平衡位置，”他说。
张说，将这种实验室规模的概念验证转化为可行的商业设备并提高整体产水率的必要工作应该可以在几年内完成。第一个应用可能是在偏远的离网地区提供安全用水，或者在飓风、地震或其他正常供水中断后的救灾。
张补充说，“如果我们能把阳光稍微集中一点，我们就可以利用这种无源设备产生高温蒸汽，为离网农村进行医疗消毒”。
“我认为真正的机会是发展家，”王说。“我认为这是近期最有可能产生影响的地方，因为设计很简单。” 但是，她补充说，“如果我们真的想把它拿出来，我们还需要与最终用户合作，才能真正采用我们设计的方式，让他们愿意使用它。”
“这是解决太阳蒸发中盐分积累问题的一种新策略，”沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学教授王鹏说，他没有参与这项研究。“这种优雅的设计将激发先进太阳能蒸发器设计的新创新。该策略非常有前景，因为它具有高能效、耐用性和低成本，有助于低成本和被动式海水淡化以生产淡水。各种高盐度水源，如海水、卤水或微咸地下水。”
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