最近，美國萊斯大學(xué)開發(fā)出一種旨在徹底改變水處理工藝的方法，它是一種離網(wǎng)技術(shù)，只需要單獨(dú)使用太陽能，就可以將鹽水轉(zhuǎn)化為新鮮的飲用水。
關(guān)鍵字
海水淡化、水資源、納米技術(shù)、太陽能
背景
水，是生命的源泉。隨著世界經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人口不斷增長，環(huán)境不斷惡化，水資源特別是淡水資源日漸短缺。眾所周知，地球上的海水資源很豐富，海水約占地球表面積的71%，而淡水資源僅占所有水資源的約2.5%。
然而，海水又苦又咸，根本無法直接飲用的。因此，人類發(fā)明了海水淡化技術(shù)，利用海水脫鹽生產(chǎn)淡水。目前，海水淡化的方法有海水凍結(jié)法、電滲析法、蒸餾法、反滲透法、膜蒸餾法、以及碳酸銨離子交換法等。
海水淡化的方法中，最古老的就是蒸餾法。鹽水先被煮沸，然后獲得蒸汽，再通過冷凝盤管。雖然蒸餾法的歷史十分悠久，但是它仍然存在一些缺陷:
首先，它需要復(fù)雜的設(shè)施和設(shè)備。其次，由于煮沸水和產(chǎn)生蒸汽需要大量的熱量，所以其能源效率也相對低下。運(yùn)作一個水蒸餾設(shè)備，能量耗費(fèi)占用了一半以上的成本。
最近，出現(xiàn)了一項(xiàng)新興的海水淡化方法，也就是膜蒸餾(MD)技術(shù)，它以疏水微孔膜為介質(zhì)，熱的鹽水從多孔薄膜的一側(cè)流入，冷的淡水從另一側(cè)流出。水蒸氣在從膜的暖側(cè)到冷側(cè)的過程中，自然地凝結(jié)成液態(tài)水。由于鹽水無需煮沸，所以相對于傳統(tǒng)的蒸餾技術(shù)來說，所耗費(fèi)的能量相對較少。
然而，其能耗的成本仍然很高，因?yàn)闊崃吭趶哪さ呐瘋?cè)向冷側(cè)傳輸?shù)倪^程中，會持續(xù)的損耗。
創(chuàng)新
由上面的分析可見，降低能耗是海水淡化工藝中的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。最近，美國萊斯大學(xué)的一個科研項(xiàng)目旨在徹底改變水處理工藝，由此產(chǎn)生出一種離網(wǎng)技術(shù)，只需要單獨(dú)使用太陽能，就能將鹽水轉(zhuǎn)化為新鮮的飲用水。
這種海水淡化系統(tǒng)將膜蒸餾技術(shù)與捕光的納米光子學(xué)相結(jié)合。它也是位于萊斯大學(xué)的多機(jī)構(gòu)工程研究中心-納米技術(shù)水處理中心(NEWT)的首個主要的創(chuàng)新。
研究團(tuán)隊(duì)和按比例放大的測試臺
(圖片來源于:Jeff Fitlow/萊斯大學(xué))
NEWT的“納米光子學(xué)太陽能膜蒸餾”技術(shù)，簡稱“NESMD”，結(jié)合了經(jīng)過檢驗(yàn)而可靠的水處理技術(shù)，以及將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的尖端納米技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的論文在線發(fā)表于本周的《美國國家科學(xué)院院刊》。
技術(shù)
從技術(shù)的角度對比傳統(tǒng)的膜蒸餾(MD)技術(shù)與NEWT的“納米技術(shù)太陽能膜蒸餾”(NESMD)技術(shù)，下面這張圖是一個很好的說明。太陽光激活的碳黑納米顆粒組成的多孔層，成為了這項(xiàng)工藝中的加熱元件。
(圖片來源于:P. Dongare/萊斯大學(xué))
在這之前，NEWT納米光子學(xué)研究項(xiàng)目的領(lǐng)頭人、論文的作者之一 、萊斯大學(xué)的Naomi Halas的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)過一種工程納米顆粒，它可以吸收多達(dá)80%的太陽能，進(jìn)而產(chǎn)生水蒸汽，現(xiàn)在NEWT的新技術(shù)正是基于這項(xiàng)研究。
通過將這種低成本、商用的納米顆粒添加到多孔膜中，膜本身轉(zhuǎn)化成了一種單側(cè)加熱的元件，它可以單獨(dú)加熱水分，驅(qū)動膜蒸餾。
按比例放大的太陽能海水凈化技術(shù)測試臺
(圖片來源于:Jeff Fitlow/萊斯大學(xué))
論文描述了這種約三張郵票大小、幾毫米厚的NESMD腔體的概念驗(yàn)證結(jié)果。腔體中的蒸餾膜，含有由炭黑納米顆粒注入到孔聚合物中形成的特制的頂層。捕光的納米顆粒暴露于太陽光的時(shí)候，能夠加熱整個膜的表面。一層半毫米厚的鹽水在炭黑層上面流過，而冷卻的淡水在下面流過。
萊斯大學(xué)NEWT高級處理試驗(yàn)臺的領(lǐng)導(dǎo) Li稱，通過聚焦太陽光，水的生產(chǎn)率大幅提高。
“當(dāng)使用鏡頭將太陽光聚焦25倍后，強(qiáng)度可達(dá)每平方米17.5千瓦，而水的生產(chǎn)率可以增至每小時(shí)每平方米6升。”
Li稱，NEWT的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出一個更加大型化的系統(tǒng)，包含一個70厘米乘以25厘米的面板。最終，她說，NEWT希望生產(chǎn)一個模塊化系統(tǒng)，用戶將可以根據(jù)日常用水的需求，定制更多的面板。她說:
“你可以將這些集成到一起，就像太陽能電站的面板一樣。根據(jù)你所需的水的生產(chǎn)率，你可以計(jì)算出需要多大的膜面積。例如，如果你需要每小時(shí)20升，那么這些面板每小時(shí)、每平方米產(chǎn)生6升，那么你需要訂購3平方米多一點(diǎn)的面板。”
創(chuàng)新
對于這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新價(jià)值，我們先看看專家們是怎么說的。
萊斯大學(xué)的科學(xué)家、水處理專家、論文的作者之一Qilin Li這么說:
“據(jù)評估有10億人面臨缺少清潔的飲用水，直接的太陽能海水淡化技術(shù)，將從一定程度上改變這種情況。這種離網(wǎng)的技術(shù)，能利用少量的資源為家庭提供足夠清潔的水，同時(shí)它也可以擴(kuò)展到為大型社區(qū)供水。”
萊斯大學(xué)的Naomi Halas說:
“不同于傳統(tǒng)的膜蒸餾技術(shù)，NESMD得益于增加了規(guī)模效率。它利用最低限度的泵浦能量，達(dá)到最佳的餾分轉(zhuǎn)化，并且我們可以利用一些列方法，進(jìn)一步優(yōu)化這項(xiàng)技術(shù)，提高產(chǎn)能和效率。”
這項(xiàng)新研究論文的一位合著者、膜工藝方面的領(lǐng)導(dǎo)研究員、耶魯大學(xué)的Menachem "Meny" Elimelec說:
“將光熱功能集成到水凈化膜中，從而達(dá)到直接的、太陽能驅(qū)動的海水淡化，為凈化水工藝帶來了新機(jī)會。”
這項(xiàng)技術(shù)利用太陽能凈化水資源，可以做到清潔、環(huán)保、低成本、可持續(xù)發(fā)展，有利于緩解淡水資源短缺的問題。集成這種技術(shù)的海水淡化或者凈化水的裝置，可應(yīng)用于天然氣和石油開采，貧困缺水地區(qū)、以及災(zāi)害救援等場景。
參考資料
【1】http://news.rice.edu/2017/06/19/freshwater-from-salt-water-using-only-solar-energy/
【2】Pratiksha D. Dongare et al.Nanophotonics-enabled solar membrane distillation for off-grid water purification.PNAS,June 2017 DOI: 10.1073/pnas.1701835114
