美中科学家合作研制的太阳能系统为廉价海水淡化提供了一条途径

诸平

Fig. 1 MIT researchers have developed a solar-powered desalination system that is more efficient and less expensive than previous methods. In this schematic, a confined water layer above the floating thermal insulation enables the simultaneous thermal localization and salt rejection. Credit: Courtesy of the researchers

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute Of Technology简称MIT）的 David L. Chandler 2022年2月17日报道，中美科学家合作研制的太阳能系统为廉价海水淡化提供了一条途径（Solar-Powered System From MIT Offers a Route to Inexpensive Desalination）。

麻省理工学院的研究人员与中国研究人员合作开发了一种太阳能海水淡化系统，该系统比以前的方法更高效、更便宜。在图1（Fig.1）示意图中，浮动隔热层上方的承压水层能够同时进行热定位和脱盐。被动式太阳能蒸发系统可用于清洁废水、提供饮用水或对离网地区(off-grid areas)的医疗工具进行消毒。

估计三分之二的人类受到水资源短缺的影响，发展中国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，MIT和中国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，所有这些都仅仅依靠太阳能，除此之外不需要任何其它电源。

除了来自上海交通大学制冷与低温工程研究所（Institute of Refrigeration and Cryogenics Shanghai Jiao Tong University）徐震原（Zhenyuan Xu音译）是之外，其余作者均来自MIT机械工程系，其中包括共同第一作者研究生张丽楠（Lenan Zhang）和博士后李翔宇（Xiangyu Li）；通讯作者、机械工程教授伊芙琳·王（Evelyn Wang）和其他3人。他们于2022年2月14日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表相关研究结果——Lenan Zhang, Xiangyu Li, Yang Zhong, Arny Leroy, Zhenyuan Xu, Lin Zhao, Evelyn Wang. Highly efficient and salt rejecting solar evaporation via a wick-free confined water layer. Nature Communications, Published: 14 February 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-28457-8. https://www.nature.com/articles/s41467-022-28457-8.该论文属于开放存储（Open Access）文档，可以免费浏览。

伊芙琳·王说：“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。挑战一直是盐垢问题，人们还没有真正解决这个问题。因此，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。久而久之，事情就会变糟。”

Fig. 2 Researchers test two identical outdoor experimental setups placed next to each other. Credit: Courtesy of the researchers

图2是由研究人员提供的研究人员测试两个相同的室外实验装置，它们彼此相邻放置的照片。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入装置，但这些灯芯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(wick-free system)。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 mm，可以使用常用的水刀(waterjets)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(Ford Professor of Engineering)兼机械工程系(Department of Mechanical Engineering)主任伊芙琳·王说。

Fig. 3 The left photograph shows the confined water layer structure. On the right, an infrared image shows the confined water layer under one sun solar illumination. Thermal energy is localized in the confined water layer. Credit: Courtesy of the researchers

图3（Fig.3）中的左图显示了承压水层结构。右侧的红外图像显示了在太阳光照下的承压水层。热能集中在承压水层中。

李翔宇说，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工作。这意味着它对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已经集中在新型材料上。“但在我们的案例中，我们使用的材料成本非常低，几乎是家用材料。” 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、复杂的结构或灯芯结构（wicking structures）来做到这一点。我相信，这是第一个在没有灯芯结构的情况下做到这一点的产品。”

未参与此项研究的休斯顿大学（University of Houston）化学和生物分子工程教授哈迪·加塞米（Hadi Ghasemi）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。”但是，他补充说道：“对这一概念的评估，还需要进一步在大型环境中和长期的运转来进行验证。”

张丽楠解释说，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，“蒸发发生在最顶部的界面。由于盐分，最顶部界面的水密度较高，而底部水的密度较低。因此，这是这种自然对流的原始驱动力，因为顶部较高的密度会驱动含盐液体下降。” 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 m²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。张丽楠说，他们计算出，一个 1 m²的设备所需的材料只需4美元左右。

李翔宇说，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，比如海水或湖泊上的波浪，”这样的设备可以安装为浮动平台，“它也可以非常快速地恢复到原来的平衡位置，”他说。

张丽楠说，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。

张丽楠补充说，“如果我们能够将阳光稍微集中一点，我们就可以利用这种无电源设备产生高温蒸汽，为离网农村进行医疗消毒”。

伊芙琳·王说:“我认为真正的机会是在发展中国家。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。”

没有参与这项研究的沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology in Saudi Arabia）教授王鹏（Peng Wang）说：“这是解决太阳蒸发中盐分积累问题的一种新策略，这种优雅的设计将激发先进太阳能蒸发器设计的新创新。该策略因其高能效、运行耐久性和低成本而前景广阔，有助于低成本和被动式海水淡化，以利用各种高盐度水源（如海水、盐水或微咸地下水）生产淡水。”

这项工作得到了新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟(SMART)LEES项目（Singapore-MIT Alliance for Research and Technology LEES Program）的支持，美国-埃及科技联合基金（US-Egypt Science and Technology Joint Fund）的支持，并使用了美国国家科学基金会（National Science Foundation）支持的设施。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Recent advances in thermally localized solar evaporation hold significant promise for vapor generation, seawater desalination, wastewater treatment, and medical sterilization. However, salt accumulation is one of the key bottlenecks for reliable adoption. Here, we demonstrate highly efficient (>80% solar-to-vapor conversion efficiency) and salt rejecting (20 weight % salinity) solar evaporation by engineering the fluidic flow in a wick-free confined water layer. With mechanistic modeling and experimental characterization of salt transport, we show that natural convection can be triggered in the confined water. More notably, there exists a regime enabling simultaneous thermal localization and salt rejection, i.e., natural convection significantly accelerates salt rejection while inducing negligible additional heat loss. Furthermore, we show the broad applicability by integrating this confined water layer with a recently developed contactless solar evaporator and report an improved efficiency. This work elucidates the fundamentals of salt transport and offers a low-cost strategy for high-performance solar evaporation.