食用色素展示流體流動

近日，麻省理工學院聯(lián)合上海交通大學的研究團隊找到一種解決“鹽積累”問題的方法。經(jīng)過長期研究及反復測試后，他們終于發(fā)明了一種新型海水淡化系統(tǒng)，與以前的太陽能脫鹽方法相比，該系統(tǒng)的效率更高，成本更低。

這兩幅圖形象地用食用染料展示了流動原理，左圖顯示了染色的去離子水從頂部到底部散裝水的緩慢傳輸，右圖則顯示了在自然對流作用下，染色的鹽水從頂部快速輸送到底部的去離子水。

據(jù)悉，按照該團隊的估算方式，一個僅有1平方米收集面積的海水淡化系統(tǒng)，可以滿足一個家庭的日常飲用水需求，如此高效的前提下，一平方米的設備所需的材料成本只需4美元左右。

這一系統(tǒng)不僅可以用于海水淡化處理，也可用作污水處理或制備消毒醫(yī)療器械。該系統(tǒng)最大的價值是，除了太陽光本身之外，所有這些目的的實現(xiàn)都無需消耗任何能源。

2022年2月14日，相關論文以《通過非毛細結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效且無鹽的太陽能蒸發(fā)》為題發(fā)表在《自然》雜志上，該研究成果由麻省理工學院博士研究生張樂楠、博士后李翔宇、機械工程系教授伊夫林·王等人共同合作完成。

此前，大多數(shù)太陽能脫鹽系統(tǒng)的研究，是通過某種毛細結(jié)構(gòu)來吸收鹽水的，但是這些毛細結(jié)構(gòu)的表面容易聚集很多鹽垢，而這些鹽垢很難清潔。

伊夫林表示：“目前，市場上有很多真正高性能的、抗鹽的、基于太陽能的蒸發(fā)等各種設計設備的演示，幾乎都存在鹽污染問題，科研工作者們還無法真正解決這個難題。我們關注到了這些非常有吸引力的性能，但是這些設備的壽命會受到鹽垢的影響而大大縮短?！?/p>

?用于太陽蒸發(fā)的非毛細結(jié)構(gòu)

于是，該團隊嘗試換一種思路來解決此類痛點，他們開始專注開發(fā)一種非毛細海水淡化系統(tǒng)。將絕熱材料涂黑用于吸收太陽光熱量。同時絕熱層上方形成一個薄水層，利用通孔連通上下的鹽水，整個系統(tǒng)可以浮在蓄水池或池塘。

做測試的時候，該團隊選用了由聚氨酯制成的材料，經(jīng)過仔細計算及大量實驗，研究人員確定了2.5毫米為孔徑的理想尺寸。

這些孔可以讓不同溫度的上下層鹽水之間，按照一定的規(guī)律進行循環(huán)，將上層積累的鹽分釋放下面更大的水體中，這樣水分蒸發(fā)剩下的這樣水分蒸發(fā)剩下的鹽有望控制在合適的范圍之內(nèi)。利用這樣的原理，非毛細海水淡化系統(tǒng)可以更好地避免鹽分聚集產(chǎn)生的析出問題。

伊夫林表示：“這種非毛細海水淡化系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)高性凈化海水，也可以防止鹽垢的積累?！?/p>

李翔宇稱，“該系統(tǒng)最大的亮點是兼具高性能和可靠運行，尤其是在極端條件下，可以處理接近飽和的鹽水，這意味著它也可用于廢水處理?！?/p>

非毛細結(jié)構(gòu)的展示

其實，傳統(tǒng)的凈化設備所使用的新材料價格十分昂貴，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也很復雜，而該團隊的非毛細海水淡化系統(tǒng)所用材料成本非常之低，幾乎使用的都是家用材料，這是此次研究策略的一大重要突破。

張樂楠說：“自然對流驅(qū)動的脫鹽，和熱空氣上升，冷空氣下降是同樣的原理。由于水在蒸發(fā)，上層的鹽度和密度較高，下層密度較低，驅(qū)動了自然對流，使得頂部的高濃度鹽水下降。從系統(tǒng)頂部蒸發(fā)的水可以收集到冷凝表面，以提供純凈的淡水?！?/p>

截至目前，該團隊已經(jīng)通過1個小型臺式設備證明了他們的設想，下一步將注重在實際應用場景方面發(fā)力。

在不久的將來，該團隊發(fā)明的海水凈化有望應用于遠離電網(wǎng)的偏遠地區(qū)，并為這里的人們提供安全用水，或在因颶風、地震導致正常供水中斷后用于救災。（綜合整理報道）（編輯/諾伊克）