阳光为便携式廉价系统提供动力以生产饮用水

在一个日趋炎热和拥挤的世界中，清洁水正成为一种宝贵的商品。到2025年，全球三分之二的人口将难以获得淡水，而从海洋和地下水中去除盐分和污染物是缓解人类渴求的一种方法。

不过，如今的大型海水淡化厂造价达数百万美元。大多数使用反渗透，迫使海水通过阻盐膜。所需的电费最多占工厂支出的一半，而且该过程留下了可能会损害当地生态系统的过高的化学系汤。这些设施通常由碳排放的化石燃料提供动力。已经做出努力（特别是在中东，亚洲和非洲）代替使用太阳能电池板，但这也要付出一定的代价，并且不能解决有毒的排放问题。

因此，研究人员正在尝试更直接地利用太阳的热量来去除盐分和其他污染物。最简单的选择是让水蒸发，留下盐和化学物质，然后将蒸气冷凝为净水。数百年来，人类一直使用这种技术的版本，称为太阳蒸馏。如今，沙特阿拉伯的工程师计划建造一座带有巨型镜子的工厂，该镜子将阳光和过热的水集中在一个50多米宽的钢制玻璃圆顶内。

但是，通过使用新颖的材料和设计，研究人员试图使该过程更便宜，更简单，更便携，以使全球范围内的高质量脱盐工作变得更加容易。赖斯大学的电气和计算机工程师Naomi Halas说：“发展中国家对清洁水的需求巨大。” “太阳能技术应该可以使您降低脱盐的能源需求，而且还可以在您完全脱离电网的偏远地区进行。”

美国能源部即将宣布其太阳能淡化奖的准决赛者。目标：以1.50美元的价格生产1,000升可用水的系统。赖斯的土木和环境工程师李奇林说：“如今，没有任何技术能够以这些成本处理高盐度水。”

美国能源部国家可再生能源实验室的Craig Turchi说，这样的系统可能会克服反渗透的巨大弊端：通常只能使一半的输入海水淡化，留下的溶液最终会积聚足够的盐以堵塞膜。 （NREL）。这种有害的副产品，称为盐水，通常被倾倒入海洋或注入地下。太阳热淡化系统可以净化含盐量至少为海水两倍的盐。 NREL发言人梅根·休斯（Meghan Hughes）表示，这将包括来自反渗透工厂的盐水和来自美国西南部等地的微咸地下水，以及一些反渗透无法处理的工农业废物：“通常，只有热驱动技术，例如那些我们正在努力通过该计划进行开发，可以处理这些高浓度盐水。”

李，哈拉斯和他们的同事们建造了一种带有多孔塑料膜的太阳能脱盐设备，该膜使水蒸气通过而不是液体通过。它的一侧覆盖着微小的碳颗粒，这些颗粒在阳光下会加热，在咸水接触到咸水时将其蒸发。该蒸气通过并凝结为净水，在膜的另一侧。 Halas的小组最近通过使用塑料透镜将阳光聚焦在膜上并产生更多的热量，将系统的效率提高了50％。

该小组的计算结果表明，使用平方米大小的设备每小时可产生多达20升水的设备，可以达到DOE的成本目标。哈拉斯说：“我们处于福特T型车阶段，还不是野马阶段。” “但是足够好，我们开始引起商业兴趣。”

加利福尼亚大学洛杉矶分校的土木和环境工程师David Jassby小组以类似的方式将导热材料集成到了膜中。在其下方，研究人员添加了一个细小的铝网，该网在阳光下会加热。他说：“因此，您可以将薄膜卷成螺旋形组件，因为您不必将大表面积直接暴露在阳光下。”在屋顶测试中，该设备在一个小时内每平方米的膜产生了八升淡水。

这样的系统可以使它们适合于紧凑型设备，这些设备适用于亚洲和非洲的离网村庄，地下水微弱的社区以及几乎在任何地方的应急用途。麻省理工学院机械工程师Evelyn Wang实验室的研究生Lenan Zhang说，但是他们将需要加快步伐，将更多的太阳能转化为蒸气。

张说，王的团队通过“反复使用能源”来提高设备效率。它包括10个阶段，每个阶段都有一个尼龙框架，上面装有一个黑色的日光吸收层，一条纸巾和一块铝膜。加热时，黑色层在芯吸到纸巾中时蒸发掉盐水，并且蒸汽凝结在铝上。冷凝释放热量，热量上升到下一个纸巾层，并帮助蒸发而不是损失。 100美元的装置在实验室中每小时可产生近六公升的水，而在室外则约为每小时的一半。张说，如果使用更复杂的材料和步骤，效率可以提高一倍。

另一种有趣的方法是通过使空气流过盐水喷雾来利用加湿的优势。俄勒冈州立大学机械工程师Bahman Abbasi说：“空气吸收了水并留下了固体盐。他的系统利用太阳辐射通过喷嘴加热，压缩和喷射盐水和空气的混合物，从而形成高速旋转的漩涡，随着加湿空气的上升，盐和其他固体进入设备壁进行收集和冷凝。 。阿巴西说，这种背包大小的设备可以清洗含盐量最高为海水的三倍的水，每小时可生产约20升水。

所有这些相对低成本的技术都可以为便携式净水器或离网使用以及其他领域打开新的市场。 Turchi说，它们最终可能导致大规模的太阳热能系统为城市提供饮用水。目前，它们“将对反渗透起到补充作用，并在反渗透可能行不通的利基应用中扮演关键角色。”