麻省理工学院的研究人员开发了一种太阳能海水淡化系统，比以前的方法更有效，更便宜。在该示意图中，浮动隔热层上方的承压水层能够同时实现热定位和脱盐。鸣谢:麻省理工学院估计有三分之二的人类受到缺水的影响，发展中国家的许多这样的地区也面临着缺乏可靠电力的问题。因此，广泛的研究努力集中在仅利用太阳热淡化海水或咸水的方法上。然而，许多这样的努力遇到了由盐堆积引起的设备结垢的问题，这通常增加了复杂性和费用。现在，麻省理工学院和中国的一组研究人员已经找到了解决盐积累问题的方法，并在此过程中开发了一种比以前的太阳能脱盐方法更有效、更便宜的脱盐系统。这一过程也可用于处理受污染的废水或产生蒸汽来消毒医疗器械，除了阳光本身外，不需要任何能源。
这些发现发表在今天的《自然通讯》杂志上，论文由麻省理工学院的研究生Lenan Zhang，博士后，机械工程教授Evelyn Wang和其他四人共同完成。
“已经有很多各种设备的高性能、抗盐、太阳能蒸发设计的演示，”王说。“挑战在于盐垢问题，人们还没有真正解决这个问题。因此，我们看到这些非常有吸引力的性能数字，但它们往往因为寿命而受到限制。久而久之，事情就会犯规。”
许多对太阳能脱盐系统的尝试依赖于某种吸液芯来通过该装置吸取盐水，但是这些吸液芯容易积聚盐，并且相对难以清洗。该团队转而专注于开发一种无吸液芯系统。结果是一个分层的系统，黑色的材料在顶部吸收太阳的热量，然后在穿孔的材料层上有一层薄薄的水，位于盐水的深层水库(如水箱或池塘)的顶部。经过仔细的计算和实验，研究人员确定了穿孔材料钻孔的最佳尺寸，在他们的测试中，穿孔材料由聚氨酯制成。这些直径为2.5毫米的孔可以用普通的喷水器很容易地制造出来。
这些洞足够大，可以在温暖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中吸到下面更大的水体中，在那里它被很好地稀释，不再是一个问题。福特大学工程学教授兼机械工程系主任王说:“它使我们能够实现高性能，同时还能防止盐的积累。”。
李说，该系统的优点是“高性能和可靠的操作，特别是在极端条件下，我们可以在接近饱和的盐水中工作。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集中在新型材料上。"但是在我们的例子中，我们使用非常便宜的，几乎是家用的材料."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，或者复杂的结构或毛细结构来做到这一点。我相信，这是第一个不用毛细结构就能做到这一点的。”
这张gif显示了通过食用色素可视化的流体流动。左侧显示了有色去离子水从顶部到底部的缓慢传输。右侧显示了自然对流效应驱动的有色盐水从顶部到底部的快速传输。Cre dit:麻省理工学院休斯顿大学化学和生物分子工程教授哈迪·哈塞米说，这种新方法“为高盐度溶液的脱盐提供了一种有前途的有效途径，可能会改变太阳能海水淡化的游戏规则。”他没有参与这项工作。“进一步的工作需要在大范围和长期的环境中评估这个概念，”他补充道。
张解释说，就像热空气上升和冷空气下降一样，自然对流推动了这个装置中的脱盐过程。在靠近顶部的承压水层中，“蒸发发生在最顶部的界面。由于盐的存在，最上层界面的水密度较高，底层水密度较低。所以，这是自然对流的原始驱动力，因为顶部较高的密度驱使含盐液体向下流动。”从系统顶部蒸发的水可以收集在冷凝表面，提供纯净的淡水。
盐对下面的水的排斥也可能导致热量在这个过程中损失，因此防止这种情况需要仔细的工程设计，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漆实现的。
到目前为止，该团队已经使用小型台式设备验证了这一概念，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平方米(约1平方码)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。张说，他们计算出1平方米设备所需的材料成本仅为4美元左右。
李说，他们的测试仪器运行了一个星期，没有任何盐积累的迹象。并且该装置非常稳定。“即使我们施加一些极端的扰动，比如海水或湖面上的波浪，”在这种情况下，这样的设备可以作为浮动平台安装，“它可以很快回到原来的平衡位置，”他说。
张说，将这种实验室规模的概念证明转化为可行的商业设备，并提高整体产水量的必要工作应该可以在几年内实现。第一个应用可能是在远离电网的地方提供安全用水，或者在飓风、地震或其他正常供水中断后用于救灾。
张补充说，“如果我们能集中一点太阳光，我们可以用这种被动设备产生高温蒸汽，为离网的农村地区进行医疗消毒”。
“我认为一个真正的机会是发展中国家，”王说。“我认为这是近期最有可能产生影响的地方，因为设计简单。”但是，她补充说，“如果我们真的想把它推出去，我们还需要与最终用户合作，真正能够采用我们设计的方式，让他们愿意使用它。”
“这是解决太阳能蒸发中盐分积累问题的新策略，”沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学教授王鹏说，他没有参与这项研究。“这种优雅的设计将激发先进太阳能蒸发器设计的新创新。由于其高能效、操作耐久性和低成本，该策略非常有前途，有助于低成本和被动水脱盐，以从高盐度的各种水源水(如海水、盐水或含盐地下水)生产淡水。”
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