麻省理工学院与中国的工程师正致力于利用一种受海洋启发的装置，将海水转化为饮用水。
该海水淡化系统生产淡水的成本可低于自来水
研究人员认为，该技术有望在5至10年内实现商业化，并可为干旱和半干旱地区的居民提供淡水。
麻省理工学院与中国的工程师正致力于利用一种完全被动、受海洋启发且由太阳提供动力的装置，将海水转化为饮用水。
该团队在今日发表于期刊 《Joule》的一篇论文中，概述了一种新型太阳能海水淡化系统的设计，该系统可吸入盐水并利用自然阳光加热。
该装置的结构使水能够以旋涡形式循环，类似于规模大得多的海洋“温盐”环流。这种循环与太阳热量共同作用，促使水蒸发并将盐分留在原处。随后，水蒸气可被冷凝并收集为纯净的可饮用水。与此同时，剩余的盐分会持续在装置内循环并排出，而不会积累并堵塞系统。
与目前正在测试的所有其他被动式太阳能海水淡化方案相比，该新系统的产水率更高，除盐率也更高。
研究人员估计，若将该系统放大至小型手提箱的尺寸，其每小时可产出约4至6升饮用水，并且在需要更换部件前可持续运行数年。在此规模和性能下，该系统所产饮用水的生产速率和价格均可低于自来水。
“首次有可能使由阳光产生的水，甚至比自来水更便宜，”麻省理工学院设备研究实验室的研究科学家张乐楠（Lenan Zhang）说。
该团队设想，经放大的装置可被动地产出足以满足一个小家庭日常需求的饮用水。该系统还可为海水易于获取的离网沿海社区提供水源。
张乐楠的研究合著者包括麻省理工学院研究生杨忠（Yang Zhong），以及福特工程学教授伊芙琳·王（Evelyn Wang），还有来自中国上海交通大学的高锦童（Jintong Gao）、游金芳（Jinfang You）、叶展宇（Zhanyu Ye）、王如竹（Ruzhu Wang）和徐振元（Zhenyuan Xu）。
强大的对流
该团队的新系统是对其此前设计的改进。两者思路相近，均采用多层结构，称为级。每一级包含一个蒸发器和一个冷凝器，利用太阳热量以被动方式将盐分从流入的水中分离。该设计曾在麻省理工学院一栋建筑的屋顶上进行测试，能高效地将太阳能转化为蒸发水分的能量，蒸发出的水随后被冷凝为可饮用水。然而，残留的盐分很快以晶体形式积累，并在数日后堵塞系统。在实际应用中，用户需要频繁更换级，这将显著增加系统的整体成本。
在后续研究中，他们设计出一种解决方案。该方案采用相似的分层结构，但增加了一项功能，可使流入的水以及任何残留盐分得以循环。虽然该设计防止了盐分在装置上沉积和累积，但其淡化水的速率相对较低。
在最新一代设计中，该团队认为已找到兼顾高产水率与高除盐率的方案，这意味着系统能够在较长时间内快速且可靠地生产饮用水。其新设计的关键在于结合此前的两种构想：一个由蒸发器和冷凝器组成的多级系统，并且该系统同时经过配置，可增强每一级内水体（及盐分）的循环。
“我们现在引入了一种更强大的对流，它类似于我们通常在海洋中观察到的、尺度可达千米的对流，”徐振元说。
该团队新系统中产生的小尺度环流，与海洋中的“温盐”对流相似——这是一种基于海水温度（“温”）和盐度（“盐”）差异，驱动全球水体运动的现象。
“海水暴露于空气中时，阳光会促使水分蒸发。水分离开表面后，盐分便会留存下来。盐浓度越高，液体密度越大，这种较重的水就会向下流动，”张乐楠解释道，“通过在小型箱体中模拟这一千米尺度的现象，我们便可利用这一特性来排除盐分。”
最终定型
该团队新设计的核心是一个单级结构，外形类似一个薄盒，顶部覆盖有一层可高效吸收太阳热量的深色材料。箱体内部分为上下两部分。水可从上半部分流过，其顶板内衬有一层蒸发层，利用太阳热量加热并蒸发与之直接接触的任何水分。随后，水蒸气被导入箱体的下半部分，在那里，冷凝层通过空气冷却使水蒸气转化为不含盐分的可饮用液体。研究人员将整个箱体倾斜放置于一个更大的空容器内，随后将一根管道从箱体上半部分穿过容器底部向下连接，并将该容器漂浮于盐水中。
在此配置下，水可自然地经管道向上推进并进入箱体，箱体的倾斜角度与太阳的热能共同作用，使水在流动过程中形成旋涡。这些小涡流有助于使水与上方的蒸发层充分接触，同时使盐分保持循环，而不会沉降并堵塞系统。
该团队制作了多个原型，分别具有一级、三级和十级结构，并在不同盐度的水体中测试了其性能，包括天然海水以及盐度为其七倍的水。
根据这些测试，研究人员推算，若将每一级放大至一平方米，每小时最多可产出5升饮用水，并且该系统可在数年内淡化水体而不致盐分积累。鉴于其使用寿命较长，且该系统完全依靠被动方式运行、无需用电，该团队估计，其整体运行成本将低于美国自来水的生产成本。
“我们证明该装置能够实现较长的使用寿命，”杨忠说，“这意味着首次有可能使由阳光生产的饮用水比自来水更便宜。这为太阳能海水淡化解决现实问题开辟了可能性。”
“这是一种非常创新的方法，有效应对了海水淡化领域的关键挑战，”得克萨斯大学奥斯汀分校从事可持续水资源与储能系统研究的余桂华（Guihua Yu）说，他并未参与此项研究，“该设计对于饱受高盐度水困扰的地区尤为有益。其模块化设计使其非常适合家庭用水生产，并可根据个体需求进行扩展和调整。”
上海交通大学此项研究的经费由国家自然科学基金委员会资助。
