将海水变成廉价的饮用水，新型太阳能淡化系统来了
将海水变成廉价的饮用水，新型太阳能淡化系统来了
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环球零碳
碳中和领域的《新青年》
摘要：
近日，麻省理工学院和上海交通大学的研究人员通过一种太阳能驱动的装置将海水转化为饮用水，该装置可利用太阳能和海水的固有特性，在较小范围内模拟海洋的“温盐”环流，蒸发水分并留下盐分。最重要的是，这种海水淡化装置比以前的脱盐装置更高效、更持久、更便宜。
撰文 | Penn
编辑 | 小棠
→ 这是《环球零碳》的第827篇原创
水是生命之源，是维系生命的基本要素。然而，面对这个和空气一般不可或缺的自然资源，人类的处境并不佳。
地球虽然有百分之七十一的面积为水所覆盖，是一颗名副其实的“水的行星”。但在全球水资源中，人类真正能够利用的淡水量，仅占地球总水量的百分之零点二六。
从数据来看，地球上的水总体积约有13亿5900万立方千米，海洋约占地球总水量为97.2%，淡水资源只有约3500万立方千米，只占总水量的2.53%，再除去无法取用的冰川和高山冰冠中的水，陆地上可利用的淡水湖、地下水和河流的水量不到地球总水量的1%。
联合国在2023年3月21日就曾发出警告：全球水资源危机已迫在眉睫。联合国当天发布的最新报告指出，目前全球10%的人口居住在高度或严重缺水的国家，近四分之一人口没有干净的饮用水，而到2050年，全球面临缺水问题的城市人口将翻倍。
而海水淡化作为海水资源的开源增量技术，已成为解决全球水资源危机的重要途径。据国际海水淡化协会称，全球有超过3亿人从海水淡化厂获取水。世界上最大的海水淡化厂Sorek海水淡化厂位于以色列特拉维夫南部，每天生产超过1.37亿加仑的饮用水。
不过，传统的海水淡化技术耗能巨大、成本也非常高，此外它还可能会造成巨大的环境代价。近日，麻省理工学院和上海交通大学的研究人员通过一种完全被动的装置将海水转化为饮用水，该装置的灵感来自海洋的“温盐”环流，并仅由太阳能提供动力。
相关研究成果已发表在《焦耳》杂志上，论文中研究小组概述了一种新的太阳能海水淡化系统的设计，可利用太阳能和海水的固有特性，在较小范围内模拟海洋的“温盐”环流，蒸发水分并留下盐分。最重要的是，这种海水淡化装置比以前的脱盐装置更高效、更持久、更便宜。
研究人员估计，如果将该系统放大到一个小手提箱的大小，它每小时可以产生大约4到6升的饮用水，可持续使用数年，然后才需要更换零件。在这种规模和性能下，该系统生产饮用水的价格比自来水更便宜，速度也更快。
图说：具有温盐对流的极耐盐多级太阳蒸馏
来源：Joule
01
工作原理
多级太阳能蒸馏技术的最新进展有望实现淡水的可持续供应。然而，由于盐分积累而导致的性能大幅下降，给太阳能海水淡化的长期可靠性和高盐度排放的高效处理带来了挑战。
此次，研究人员受温盐对流这一自然现象的启发，设计一款了具有极高耐盐性能的太阳能多级膜蒸馏装置。
图说：太阳能多级膜蒸馏装置概念图
来源：[2]
该装置的配置允许水在漩涡中循环，其方式类似于海洋中更大的“温盐”对流（这种现象根据海水温度和盐度的差异，驱动世界各地的水运动）。这种循环与太阳的热量相结合，促使水蒸发，留下盐。然后可以将产生的水蒸气冷凝并收集为纯净的饮用水。与此同时，剩余的盐继续在设备中循环并流出设备，而不是积累和堵塞系统。
图说：倾斜的十级原型位于“船状”水槽中
来源：MIT
研究人员在最新的研究中，设计了一种类似多级配置的解决方案，并增加了有助于循环流入和防止盐在设备上沉淀积聚的功能。在最新的迭代中，该团队相信其设计能够同时实现高产水率和高脱盐率，这意味着该系统可以快速、可靠地长时间生产饮用水。此次新设计的关键是结合了之前的两个概念：蒸发器和冷凝器的多级系统，并在二者结合的基础上来促进每个层级内水和盐的循环。
02
实验结果
新设计的核心是一个类似于薄盒子的单级，顶部采用深色材料，可有效吸收太阳的热量。在内部，盒子分为顶部和底部。水可以流过上半部分，天花板上排列着蒸发器层，利用太阳的热量来加热并蒸发任何直接接触的水。然后水蒸气被输送到盒子的下半部分，在那里冷凝层将水蒸气空气冷却成纯净的饮用水。
图说：自然阳光下原型机的户外测试
来源：MIT
研究人员将整个盒子倾斜地放置在一个更大的空容器中，然后将一根管子从盒子的上半部分向下穿过容器的底部，并将容器漂浮在盐水中。在这种配置中，水可以自然地通过管子向上推入盒子，盒子的倾斜与来自太阳的热能相结合，导致水在流过时产生漩涡。小涡流有助于使水与上蒸发层接触，同时保持盐循环，而不是沉淀和堵塞。
该团队建造了多个原型，包括一级、三级和十级，并在不同盐度的水中测试了它们的性能，包括天然海水和盐度七倍的水。通过一个十级装置，研究人员在0-20wt% 的盐度范围内，在一个太阳光照下，实现了创纪录的 322%-121% 的太阳能转化为水的效率。更重要的是，研究人员通过对 20wt % 的浓缩海水进行180小时的持续淡化，证明了该装置具有极强的抗盐积累能力。
根据这些测试，研究人员计算出，如果每级装置扩大到一平方米，每小时最多可生产5升饮用水，并且该系统可以在几年内不积累盐分的情况下淡化水。鉴于使用寿命延长，而且该系统完全是被动式的，无需电力即可运行，该团队估计，运行该系统的总体成本将比在美国生产自来水的成本便宜。
研究人员表示：“我们证明该设备能够实现较长的使用寿命。这意味着，阳光产生的饮用水首次有可能比自来水更便宜。这为太阳能海水淡化解决现实世界问题提供了可能性。”
03
未来
德克萨斯大学奥斯汀分校开发可持续水和能源存储系统的于桂华（Guihua Yu）说：“这是一种非常创新的方法，可以有效缓解海水淡化领域的关键挑战。该设计对于受高盐度水困扰的地区特别有利。其模块化设计使其非常适合家庭制水，具有可扩展性和适应性，以满足个人需求。”
该团队在未来的测试中计划扩大设备规模，来被动地生产满足一个小家庭的日常需求的饮用水。研究人员表示，该系统还可以为易于获取海水的离网沿海社区供电。
太阳能多级膜蒸馏装置具有高淡水产量和极高的耐盐性，可显着降低水生产成本，或将为实际采用被动式太阳能海水淡化以实现可持续水经济铺平新的道路。
首图来源：earth.com
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参考资料：
[1]https://news.mit.edu/2023/desalination-system-could-produce-freshwater-cheaper-0927
[2]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435123003604
[3]https://www.inceptivemind.com/solar-desalination-system-turns-seawater-cheap-drinking-water/34907/
[4]https://electrek.co/2023/10/02/mit-solar-power-drinking-water/
[5]https://www.usgs.gov/special-topics/water-science-school/science/desalination
[6]https://www.earth.com/news/cheap-and-drinkable-water-from-desalination-is-finally-a-reality/
END
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