太阳能脱盐新技术突破关键障碍效率更高成本更低
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世界上近三分之一的人口无法获得清洁饮用水的正常供应。一个很有希望的解决方案是利用太阳的热量来净化含盐或受污染的水，但创造一种可扩展、廉价且可靠的方法已被证明是存在难度的。一种新的太阳能装置可能已经朝着解决这个问题迈出了实质性的一步 —— 这种装置只需4美元，就可以为一个家庭提供可靠的清洁饮用水来源。在淡水资源有限的国家，如沙特阿拉伯、阿拉伯联合酋长国和澳大利亚，电力驱动的海水淡化厂已经得到广泛应用。例如，近日发表在《海水淡化》杂志上的一项研究指出，“海水淡化技术是能源、水和环境之间相互联系的经典例子。通过将可再生能源与海水淡化相结合，有可能减轻能源消耗对环境的影响。”然而，麻省理工学院（MIT）博士后研究员Xiangyu Li表示，如今的大多数海水淡化技术需要大量投资才能建立可靠的电源。Li说，在清洁水短缺最严重的发展中国家地区，这两种情况通常都不多见。这种需求和技术潜力的联系促使许多研究人员（包括上述新脱盐论文的作者）寻找只需阳光即可净化或脱盐水的方法。这些方法利用太阳的热量蒸发水，从系统顶部蒸发的水可以收集到冷凝表面，提供纯净的淡水。这一过程不能产生像动力脱盐那样多的水，但最近的突破大大提高了采用这种方法的系统的效率。不过，Li说，由于使用了昂贵的材料，或者设备容易被盐晶体堵塞，因此它们的实用性仍然存在疑问。现在，他和同事们设计了一种新方法，既能与最好的太阳能蒸发系统的效率相匹配，又能消除盐积累的问题，同时使用廉价且易于找到的材料。“我们使用的材料几乎都是家居用品，”Li说，“这是一种简单、低成本的设备，可以帮助发展中国家的人们，或者那些在自然灾害后挣扎的人们，获得他们所需要的淡水。”
太阳能蒸发的主要挑战之一是产生足够高的温度来高效地产生蒸汽。如果你把水桶放在阳光下，大部分热量就会均匀地扩散到整个水体中。为了绕过这一障碍，研究人员近年来设计了将太阳热量集中在少量水上的方法，从而提高蒸发效率。通常，这是通过一个多孔的“芯吸”结构来实现的，它漂浮在储水池的顶部，自然地将液体吸上来，就像水爬上一张纸巾一样。这些材料也被设计为吸收太阳能和隔热，因此产生的热量不会扩散到下面的蓄水池中。这导致结构顶部的薄层水接收到集中的热量，从而更有效地生成蒸汽。Li说，问题在于，当水蒸发时，会留下盐和其他黏液，这些黏液会迅速覆盖芯吸结构的顶部，降低其吸收阳光的能力。他说，这是因为水在材料非常细的孔隙中流动相对缓慢，这为晶体的形成留下了充足的时间。麻省理工学院团队的解决方案是依靠对流——流体从高密度区域流向低密度区域的趋势，使浓缩盐水自然循环回到下方的储层中。为了做到这一点，研究人员创造了一个浮动结构，由一层厚厚的绝缘聚苯乙烯泡沫制成，顶部涂有吸光的黑色涂料，底部涂有一个铜块，以使结构浸没在表面之下。然后，他们在结构中钻了2.5毫米的通道，使水在顶层和主水库之间流动。与芯吸结构的窄孔不同，这些通道足够宽，可以形成对流，将盐水从设备顶部向下输送通过通道。不过，Li说，这是一种谨慎的平衡行为，因为使通道过宽可能会导致过多的循环，从而将所有集中的热量输送到下面较冷的水中。在《自然通讯》的一篇论文中，该团队表明，通过仔细优化通道的大小和配置，它们能够与最好的基于芯吸的太阳能蒸发器的效率相匹配，并且可以继续从浓度高达20%（按重量计）的盐水中提取干净的水。新加坡国立大学材料科学与工程系助理教授Swee Ching Tan没有参与到目前的研究中，但他表示，研究中最有趣的部分是热浓缩和循环之间的几乎理想的权衡。他说：“这可能是一项颠覆性的实用太阳能脱盐技术。它的总体成本极低，这项技术的可扩展性不会成为问题。”到目前为止，该团队只在几英寸高的烧杯中测试了该装置，但Li表示，制作更大的版本应该相当简单。最昂贵的部分是铜重量，但在低资源环境下，这可以用混凝土代替。该团队估计，一个1平方米的装置将花费约4美元，每天可以提供6.5升水，条件良好的情况下，足以为一个小家庭提供饮用水。IEEE Spectrum
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