在這個(gè)日益炎熱和擁擠的世界里，淡水逐漸變成了一種珍貴的資源。預計到2025年，全球將有三分之二的人口面臨獲取淡水的問(wèn)題，而把海水和地下水中的鹽分和污染物去除，是緩解人類(lèi)淡水危機的方法之一。
然而，目前大型海水淡化廠(chǎng)的建設成本高達數百萬(wàn)美元。這類(lèi)工廠(chǎng)大都使用了反滲透技術(shù) ，這是一道需要施壓讓海水擠過(guò)反滲透膜的技術(shù)，所需的電力成本幾乎占到了整個(gè)工廠(chǎng)開(kāi)支的一半。這道工序還會(huì )產(chǎn)生一種含有有害化學(xué)物的濃鹽水，可能危害當地的生態(tài)系統。此外，反滲透工廠(chǎng)通常需要利用化石燃料供能，這會(huì )產(chǎn)生大量的碳排放。盡管各國的工程師已經(jīng)開(kāi)始采取行動(dòng)(特別是在亞洲和非洲地區)用太陽(yáng)能電池板替代化石燃料 ，但是這么做并不能解決有毒物質(zhì)的排放問(wèn)題，甚至會(huì )產(chǎn)生額外的成本。
為此，研究人員正在嘗試以更直接的方式利用太陽(yáng)能。其中最簡(jiǎn)單的方式是利用蒸發(fā)作用，蒸出淡水，留下鹽和污染物。數百年來(lái)，人類(lèi)一直都在使用這種被稱(chēng)為太陽(yáng)能蒸餾 的技術(shù)。沙特阿拉伯目前正在建造一面巨大的反射鏡，這個(gè)裝置會(huì )將太陽(yáng)光聚集到一個(gè)足球場(chǎng)大小的鋼制玻璃穹頂上，匯聚后的熱量可以使其中的海水蒸發(fā)。
為了讓這個(gè)過(guò)程變得更便宜、簡(jiǎn)單、便攜，從而讓高質(zhì)量的海水淡化技術(shù)在全世界廣泛應用，研究人員也在嘗試使用新的材料和設計。娜奧米·哈拉斯(Naomi Halas)是美國萊斯大學(xué)的電氣與計算機工程師，她說(shuō)：“發(fā)展中國家對淡水資源需求量巨大，太陽(yáng)能熱技術(shù)不僅可以降低海水淡化過(guò)程對能源的需求，還可以在遠離電網(wǎng)的偏遠地區使用 。”
由美國能源部主辦的太陽(yáng)能海水淡化獎(Solar Desalination Prize)即將宣布半決賽人選，這場(chǎng)比賽的目標是開(kāi)發(fā)出能以1.5美元的成本生產(chǎn)1000升可用水的系統。萊斯大學(xué)的土木與環(huán)境工程師李琪琳說(shuō)：“現在沒(méi)有任何技術(shù)能以如此低成本處理高濃度鹽水。”
美國能源部可再生能源實(shí)驗室的克雷格·圖爾希(Craig Turchi)表示，太陽(yáng)能系統可以克服反滲透技術(shù)的一大缺點(diǎn) 。因為反滲透技術(shù)一般只能淡化輸入量一半左右的水資源，剩下的鹽分會(huì )逐漸富集堵塞反滲透膜。這種有毒的副產(chǎn)品被稱(chēng)為鹵水，通常會(huì )被傾倒進(jìn)海洋，或者注入地下。而太陽(yáng)能淡化系統可以?xún)艋Ｋ}量?jì)杀兑陨系柠}水。美國能源部發(fā)言人梅根·休斯(Meghan Hughes)表示，這個(gè)標準將涵蓋來(lái)自反滲透工廠(chǎng)的鹽水和美國西南等地的地下鹽水，以及一些反滲透技術(shù)無(wú)法處理的農業(yè)和工業(yè)廢水。他說(shuō)：“一般而言，只有熱驅動(dòng)技術(shù)，也就是我們正在開(kāi)發(fā)的一些技術(shù)，才能處理這些高濃度鹽水。”
哈拉斯和李琪琳已經(jīng)制造出了一種太陽(yáng)能海水淡化裝置 ，裝置上有一張多孔的塑料膜，可以讓水蒸氣通過(guò)同時(shí)阻攔其他物質(zhì)。薄膜的一側覆蓋著(zhù)微小的碳顆粒 ，可以吸收太陽(yáng)光的熱量，使與它接觸的鹽水更容易蒸發(fā)。通過(guò)薄膜后水蒸氣會(huì )在另一側凝結成淡水。最近，哈拉斯的研究團隊在薄膜上引入了塑料透鏡，太陽(yáng)光的聚集性更好，產(chǎn)生的熱量也更多，這使系統的效率提高了50%。
研究團隊的計算結果表明，他們有望在幾年內達到美國能源部的成本目標，也就是在一平米大小的裝置里，每小時(shí)處理出20升的淡水。哈拉斯說(shuō)：“我們現在更像是處于福特的T型車(chē)階段，而不是跑車(chē)階段。但這已經(jīng)足以激發(fā)從事商業(yè)開(kāi)發(fā)的機構的興趣了。”
戴維·亞希波(David Jassby)是美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的土木與環(huán)境工程師，他的團隊使用了類(lèi)似的方法將導熱材料整合到薄膜中。在薄膜下方，研究人員添加了一張能被太陽(yáng)光加熱的細鋁網(wǎng)。他說(shuō)：“這樣就可以把薄膜卷成螺旋狀的模塊 ，不必大面積地直接暴露在太陽(yáng)光下。”在屋頂測試中，每平米薄膜每小時(shí)可以處理出9升淡水。
這樣的系統適用于亞洲和非洲遠離電網(wǎng)的村莊，美國西南部地下水鹽度較高的區域，以及任何需要緊急使用淡水的環(huán)境。但麻省理工學(xué)院機械工程師伊夫琳·王(Evelyn Wang)實(shí)驗室的研究生張樂(lè )楠(Lenan Zhang，音譯)表示，這項技術(shù)還需要加快研究步伐，以更有效的方式讓太陽(yáng)能轉化出水蒸汽。
張樂(lè )楠表示，伊夫琳·王的團隊“會(huì )不斷重復利用能源”提高轉化效率。他們研發(fā)的設備包括10個(gè)尼龍結構，每個(gè)結構都有一片黑色的太陽(yáng)能吸收層、一層紙巾和一張鋁膜。在加熱過(guò)程中，黑色吸收層將紙巾中的鹽水蒸發(fā)，蒸汽凝結在鋁膜上。水蒸氣冷凝放熱，熱量傳遞到下一層紙巾協(xié)助蒸發(fā)，而不是白白流失。張樂(lè )楠表示，價(jià)值100美元的裝置每小時(shí)可以處理出6升淡水。如果使用更復雜的材料和設計，效率還有可能提高一倍。
另一種有趣的方法利用了加濕的過(guò)程 ，可以使干燥的空氣通過(guò)鹽水噴霧實(shí)現提純。俄勒岡州立大學(xué)機械工程師巴赫曼·阿巴西(Bahman Abbasi)說(shuō)：“空氣會(huì )吸收水分，但不會(huì )吸收固體鹽分。”他設計的系統利用太陽(yáng)能加熱、壓縮鹽水和空氣的混合物，并從噴嘴高速射出。這個(gè)過(guò)程會(huì )產(chǎn)生一個(gè)漩渦，當空氣上升冷凝時(shí)，鹽分等固體就會(huì )被推到設備的另一個(gè)壁面上。實(shí)驗表明，這種背包大小的裝置可凈化含鹽度達到海水3倍的鹽水，每小時(shí)能生產(chǎn)約20升淡水 。
這些成本相對低廉的技術(shù)都可以為便攜式凈水器或離網(wǎng)應用打開(kāi)新的市場(chǎng)。圖爾希表示，相關(guān)技術(shù)最終也有可能打造出大規模的太陽(yáng)能凈水系統，為城市提供飲用水。目前，這些技術(shù)“將作為反滲透技術(shù)的補充，在反滲透技術(shù)難以發(fā)揮的一些場(chǎng)景展現自身的價(jià)值。撰文 | 普拉杰·帕特勒(Prachi Patel)翻譯 | 巢栩嘉
