淡水是人類社會賴以生存和發(fā)展的基本物質(zhì)之一，而目前僅存在于河流、湖泊和可供人類直接利用的地下淡水已不足0.36%。占地球總水量的97%以上的海水，由于含鹽度太高不能直接飲用或灌溉，剩下不足3%的淡水分布極其不均，其中3/4被凍結(jié)在地球的兩極及高寒地帶的冰川中，余下的淡水中地下水又比地表水多出了37倍。
隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及工業(yè)化進(jìn)展的加快，人類對淡水資源的需求日益增長；一些島嶼和沿海鹽堿地區(qū)以及內(nèi)陸苦咸水地區(qū)一直屬于缺乏淡水的地區(qū)。為解決這一發(fā)展中的矛盾，尤其是缺水地區(qū)對淡水的渴求，就近進(jìn)行海水或苦咸水淡化已成為擴(kuò)大淡水來源的有效途徑之一。
當(dāng)然，對海水或苦咸水進(jìn)行淡化的方法有很多，如常規(guī)蒸餾法、離子交換法、滲析法、反滲透膜法以及冷凍法等。這些傳統(tǒng)的方法除需要消耗大量的燃料或電力外，還會污染空氣并造成溫室效應(yīng)。因此，95%的能耗來自太陽能，幾乎不消耗石油、天然氣、煤炭等常規(guī)能源，綠色無污染，所得淡水純度高的太陽能海水淡化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。
2018年，美國能源部宣布資助2100萬美元支持太陽能光熱海水淡化技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，旨在加快太陽能光熱海水淡化技術(shù)的創(chuàng)新突破，降低光熱海水淡化的成本；2019年，我國工業(yè)和信息化部、水利部聯(lián)合發(fā)布的《國家鼓勵(lì)的工業(yè)節(jié)水工藝、技術(shù)和裝備目錄(2019年)》中，“太陽能光熱低溫度多效海水淡化技術(shù)”被提及。
2013年，我國首個(gè)太陽能光熱海水淡化示范項(xiàng)目在海南建成投產(chǎn)，日產(chǎn)蒸餾水約30噸，可解決約5000人對健康飲用水的需求，其產(chǎn)水成本約為傳統(tǒng)裝置的45%；2020年，沙特首個(gè)“太陽能圓頂”海水淡化廠將開工建設(shè)，將采用聚光太陽能技術(shù)進(jìn)行海水淡化，生產(chǎn)成本約為0.34美元/噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于海水淡化廠采用反滲透方法的生產(chǎn)成本。
除了制取成本，效率也是太陽能海水淡化的關(guān)注點(diǎn)。此前，美國萊斯大學(xué)研究人員利用廉價(jià)塑料透鏡將太陽光聚焦到“熱點(diǎn)”，將太陽能海水淡化系統(tǒng)的效率提高了50％左右。他們表示，提高太陽能海水淡化系統(tǒng)性能的典型方法是增加太陽能聚光器并增加光線，而該方法的最大優(yōu)勢在于使用相同數(shù)量的光，既可低成本地重新分配電力，還能大幅提高純凈水的生產(chǎn)率。
日前，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所與麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)表了有關(guān)超高效太陽能海水淡化研究的最新進(jìn)展，即在1000W/m2的太陽輻照下，通過采用商用和低成本材料搭建的實(shí)驗(yàn)裝置，創(chuàng)紀(jì)錄地實(shí)現(xiàn)了385%的太陽蒸發(fā)效率和5.78L/(m2h)的海水淡化產(chǎn)水率，相關(guān)成果已發(fā)表于《Energy & Environmental Science》雜志。
圖 1 麻省理工的光熱海水淡化測試裝置
全被動式的太陽能海水淡化技術(shù)，由于其裝置結(jié)構(gòu)簡單、取材方便，是解決海水淡化適應(yīng)性的有效技術(shù)之一，尤其適用于缺乏基建和偏遠(yuǎn)地區(qū)，然而其效率一直偏低（約35%）。近年來，太陽能界面蒸發(fā)為高效便攜式海水淡化提供了新的思路，成為了能源科學(xué)、材料科學(xué)和熱科學(xué)等交叉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但其效率也十分有限（約100%）。
該研究團(tuán)隊(duì)指出，系統(tǒng)性的能量傳遞優(yōu)化是達(dá)到超高效太陽能海水淡化的關(guān)鍵，而非高性能材料。他們提出的“界面局部加熱型多級太陽能蒸餾架構(gòu)”，結(jié)合了太陽能界面局部加熱和蒸汽焓回收利用，顯著提升了被動式太陽能海水淡化的效率，比此前的有關(guān)研究所得的效率高出了2倍多。
圖 2 局部加熱多級太陽能蒸餾（TMSS）
圖3 TMSS裝置的設(shè)計(jì)與部件
據(jù)介紹，該被動式太陽能海水淡化裝置還可以通過毛細(xì)作用進(jìn)行被動補(bǔ)水，同時(shí)通過鹽分在夜間的反向擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)被動排鹽，可保證長效穩(wěn)定的被動式工作。
該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步表示，可滿足一個(gè)家庭日常飲水需求的該裝置預(yù)造價(jià)估約100美元，在基礎(chǔ)設(shè)施有限但陽光和海水充足的地區(qū)有著極高的應(yīng)用潛力。因此，該研究成果為解決偏遠(yuǎn)或離網(wǎng)地區(qū)的淡水短缺問題提供了更加切實(shí)有效的解決方法，還為界面太陽能蒸發(fā)走向?qū)嵱没透咝Щ峁┝巳碌乃悸泛屠碚摽蚣堋?
