麻省理工學院科學家開發非毛細海水淡化系統，可高效脫鹽

食用色素展示流體流動

近日，麻省理工學院聯合上海交通大學的研究團隊找到一種解決“鹽積累”問題的方法。經過長期研究及反復測試后，他們終于發明了一種新型海水淡化系統，與以前的太陽能脫鹽方法相比，該系統的效率更高，成本更低。

這兩幅圖形象地用食用染料展示了流動原理，左圖顯示了染色的去離子水從頂部到底部散裝水的緩慢傳輸，右圖則顯示了在自然對流作用下，染色的鹽水從頂部快速輸送到底部的去離子水。

據悉，按照該團隊的估算方式，一個僅有1平方米收集面積的海水淡化系統，可以滿足一個家庭的日常飲用水需求，如此高效的前提下，一平方米的設備所需的材料成本只需4美元左右。

這一系統不僅可以用于海水淡化處理，也可用作污水處理或制備消毒醫療器械。該系統最大的價值是，除了太陽光本身之外，所有這些目的的實現都無需消耗任何能源。

2022年2月14日，相關論文以《通過非毛細結構實現高效且無鹽的太陽能蒸發》為題發表在《自然》雜志上，該研究成果由麻省理工學院博士研究生張樂楠、博士后李翔宇、機械工程系教授伊夫林·王等人共同合作完成。

此前，大多數太陽能脫鹽系統的研究，是通過某種毛細結構來吸收鹽水的，但是這些毛細結構的表面容易聚集很多鹽垢，而這些鹽垢很難清潔。

伊夫林表示：“目前，市場上有很多真正高性能的、抗鹽的、基于太陽能的蒸發等各種設計設備的演示，幾乎都存在鹽污染問題，科研工作者們還無法真正解決這個難題。我們關注到了這些非常有吸引力的性能，但是這些設備的壽命會受到鹽垢的影響而大大縮短。”

?用于太陽蒸發的非毛細結構

于是，該團隊嘗試換一種思路來解決此類痛點，他們開始專注開發一種非毛細海水淡化系統。將絕熱材料涂黑用于吸收太陽光熱量。同時絕熱層上方形成一個薄水層，利用通孔連通上下的鹽水，整個系統可以浮在蓄水池或池塘。

做測試的時候，該團隊選用了由聚氨酯制成的材料，經過仔細計算及大量實驗，研究人員確定了2.5毫米為孔徑的理想尺寸。

這些孔可以讓不同溫度的上下層鹽水之間，按照一定的規律進行循環，將上層積累的鹽分釋放下面更大的水體中，這樣水分蒸發剩下的這樣水分蒸發剩下的鹽有望控制在合適的范圍之內。利用這樣的原理，非毛細海水淡化系統可以更好地避免鹽分聚集產生的析出問題。

伊夫林表示：“這種非毛細海水淡化系統不僅可以實現高性凈化海水，也可以防止鹽垢的積累。”

李翔宇稱，“該系統最大的亮點是兼具高性能和可靠運行，尤其是在極端條件下，可以處理接近飽和的鹽水，這意味著它也可用于廢水處理。”

非毛細結構的展示

其實，傳統的凈化設備所使用的新材料價格十分昂貴，系統結構也很復雜，而該團隊的非毛細海水淡化系統所用材料成本非常之低，幾乎使用的都是家用材料，這是此次研究策略的一大重要突破。

張樂楠說：“自然對流驅動的脫鹽，和熱空氣上升，冷空氣下降是同樣的原理。由于水在蒸發，上層的鹽度和密度較高，下層密度較低，驅動了自然對流，使得頂部的高濃度鹽水下降。從系統頂部蒸發的水可以收集到冷凝表面，以提供純凈的淡水。”

截至目前，該團隊已經通過1個小型臺式設備證明了他們的設想，下一步將注重在實際應用場景方面發力。

在不久的將來，該團隊發明的海水凈化有望應用于遠離電網的偏遠地區，并為這里的人們提供安全用水，或在因颶風、地震導致正常供水中斷后用于救災。（綜合整理報道）（編輯/諾伊克）