最近，美國萊斯大學開發出一種旨在徹底改變水處理工藝的方法，它是一種離網技術，只需要單獨使用太陽能，就可以將鹽水轉化為新鮮的飲用水。
關鍵字
海水淡化、水資源、納米技術、太陽能
背景
水，是生命的源泉。隨著世界經濟不斷發展，人口不斷增長，環境不斷惡化，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，人類發明了海水淡化技術，利用海水脫鹽生產淡水。目前，海水淡化的方法有海水凍結法、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，它需要復雜的設施和設備。其次，由于煮沸水和產生蒸汽需要大量的熱量，所以其能源效率也相對低下。運作一個水蒸餾設備，能量耗費占用了一半以上的成本。
最近，出現了一項新興的海水淡化方法，也就是膜蒸餾(MD)技術，它以疏水微孔膜為介質，熱的鹽水從多孔薄膜的一側流入，冷的淡水從另一側流出。水蒸氣在從膜的暖側到冷側的過程中，自然地凝結成液態水。由于鹽水無需煮沸，所以相對于傳統的蒸餾技術來說，所耗費的能量相對較少。
然而，其能耗的成本仍然很高，因為熱量在從膜的暖側向冷側傳輸的過程中，會持續的損耗。
創新
由上面的分析可見，降低能耗是海水淡化工藝中的一項重要挑戰。最近，美國萊斯大學的一個科研項目旨在徹底改變水處理工藝，由此產生出一種離網技術，只需要單獨使用太陽能，就能將鹽水轉化為新鮮的飲用水。
這種海水淡化系統將膜蒸餾技術與捕光的納米光子學相結合。它也是位于萊斯大學的多機構工程研究中心-納米技術水處理中心(NEWT)的首個主要的創新。
研究團隊和按比例放大的測試臺
(圖片來源于:Jeff Fitlow/萊斯大學)
NEWT的“納米光子學太陽能膜蒸餾”技術，簡稱“NESMD”，結合了經過檢驗而可靠的水處理技術，以及將太陽能轉化為熱能的尖端納米技術。這項技術的論文在線發表于本周的《美國國家科學院院刊》。
技術
從技術的角度對比傳統的膜蒸餾(MD)技術與NEWT的“納米技術太陽能膜蒸餾”(NESMD)技術，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，成為了這項工藝中的加熱元件。
(圖片來源于:P. Dongare/萊斯大學)
在這之前，NEWT納米光子學研究項目的領頭人、論文的作者之一 、萊斯大學的Naomi Halas的實驗室設計過一種工程納米顆粒，它可以吸收多達80%的太陽能，進而產生水蒸汽，現在NEWT的新技術正是基于這項研究。
通過將這種低成本、商用的納米顆粒添加到多孔膜中，膜本身轉化成了一種單側加熱的元件，它可以單獨加熱水分，驅動膜蒸餾。
按比例放大的太陽能海水凈化技術測試臺
(圖片來源于:Jeff Fitlow/萊斯大學)
論文描述了這種約三張郵票大小、幾毫米厚的NESMD腔體的概念驗證結果。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NEWT高級處理試驗臺的領導 Li稱，通過聚焦太陽光，水的生產率大幅提高。
“當使用鏡頭將太陽光聚焦25倍后，強度可達每平方米17.5千瓦，而水的生產率可以增至每小時每平方米6升。”
Li稱，NEWT的研究團隊已經制造出一個更加大型化的系統，包含一個70厘米乘以25厘米的面板。最終，她說，NEWT希望生產一個模塊化系統，用戶將可以根據日常用水的需求，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。根據你所需的水的生產率，你可以計算出需要多大的膜面積。例如，如果你需要每小時20升，那么這些面板每小時、每平方米產生6升，那么你需要訂購3平方米多一點的面板。”
創新
對于這項技術的創新價值，我們先看看專家們是怎么說的。
萊斯大學的科學家、水處理專家、論文的作者之一Qilin Li這么說:
“據評估有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，將從一定程度上改變這種情況。這種離網的技術，能利用少量的資源為家庭提供足夠清潔的水，同時它也可以擴展到為大型社區供水。”
萊斯大學的Naomi Halas說:
“不同于傳統的膜蒸餾技術，NESMD得益于增加了規模效率。它利用最低限度的泵浦能量，達到最佳的餾分轉化，并且我們可以利用一些列方法，進一步優化這項技術，提高產能和效率。”
這項新研究論文的一位合著者、膜工藝方面的領導研究員、耶魯大學的Menachem "Meny" Elimelec說:
“將光熱功能集成到水凈化膜中，從而達到直接的、太陽能驅動的海水淡化，為凈化水工藝帶來了新機會。”
這項技術利用太陽能凈化水資源，可以做到清潔、環保、低成本、可持續發展，有利于緩解淡水資源短缺的問題。集成這種技術的海水淡化或者凈化水的裝置，可應用于天然氣和石油開采，貧困缺水地區、以及災害救援等場景。
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
