海水淡化系统可以生产比自来水便宜的淡水

麻省理工学院和中国的工程师的目标是用一种完全被动的装置将海水变成饮用水，这种装置的灵感来自海洋，由太阳提供动力。

在今天发表在 《焦耳 》杂志上的一篇论文中，该团队概述了一种新的太阳能海水淡化系统的设计，该系统吸收盐水并用自然阳光加热。

该装置的配置允许水在漩涡中循环，其方式类似于海洋中更大的“温盐”环流。这种循环与太阳的热量相结合，驱使水蒸发，留下盐分。由此产生的水蒸气可以冷凝并收集为纯净的饮用水。与此同时，剩余的盐继续在设备中循环，而不是积累和堵塞系统。

与目前正在测试的所有其他被动式太阳能海水淡化概念相比，新系统具有更高的产水率和更高的脱盐率。

研究人员估计，如果该系统放大到一个小手提箱的大小，它每小时可以产生大约4到6升的饮用水，并且在需要更换零件之前可以使用几年。在这种规模和性能下，该系统可以以比自来水便宜的速度和价格生产饮用水。

“阳光产生的水第一次有可能比自来水更便宜，”麻省理工学院设备研究实验室的研究科学家Lenan Zhang说。

该团队设想一种放大的设备可以被动地产生足够的饮用水，以满足一个小家庭的日常需求。该系统还可以为离网的沿海社区供电，那里的海水很容易获得。

Zhang的研究合著者包括麻省理工学院研究生Yang Zhong和福特工程学教授Evelyn Wang，以及中国上海交通大学的高金彤，尤金芳，叶占宇，王汝珠和徐振元。

强大的对流

该团队的新系统改进了他们以前的设计 – 类似的多层概念，称为阶段。每个阶段都包含一个蒸发器和一个冷凝器，利用来自太阳的热量被动地将盐与进水中分离。该团队在麻省理工学院大楼的屋顶上测试了这种设计，有效地将太阳能转化为蒸发水，然后将其冷凝成饮用水。但是剩下的盐很快就积聚成晶体，几天后堵塞了系统。在现实环境中，用户必须频繁放置舞台，这将大大增加系统的总体成本。

在后续工作中，他们设计了一种具有类似分层配置的解决方案，这次增加了一个功能，有助于循环进水以及任何剩余的盐。虽然这种设计可以防止盐在设备上沉淀和积聚，但它以相对较低的速率淡化水。

在最新的迭代中，该团队认为它已经找到了一种既能实现高产水率又能实现高脱盐率的设计，这意味着该系统可以快速可靠地长时间生产饮用水。他们新设计的关键是他们之前两个概念的结合：蒸发器和冷凝器的多级系统，该系统还配置为促进每个阶段内的水和盐的循环。

“我们现在引入了一种更强大的对流，类似于我们通常在海洋中看到的，在数公里长的尺度上，”徐说。

该团队的新系统中产生的小环流类似于海洋中的“温盐”对流 – 一种基于海洋温度（“热”）和盐度（“盐”）差异的现象，驱动世界各地的水运动。

“当海水暴露在空气中时，阳光会驱使水蒸发。一旦水离开地表，盐就会留下来。而且盐浓度越高，液体越稠密，这种较重的水想要向动，“张解释道。“通过在小盒子中模仿这种公里宽的现象，我们可以利用这一特征来拒绝盐。

出击

该团队新设计的核心是一个类似于薄盒子的单一舞台，顶部是可有效吸收太阳热量的深色材料。在内部，盒子分为顶部和底部。水可以流过上半部分，天花板衬有蒸发器层，该蒸发器层利用太阳的热量来加热和蒸发任何直接接触的水。然后将水蒸气漏斗到盒子的下半部分，冷凝层将蒸气空气冷却成无盐的可饮用液体。研究人员将整个盒子放在一个更大的空容器内倾斜，然后从盒子的上半部分向下连接到容器底部，并将容器漂浮在盐水中。

在这种配置中，水可以自然地通过管子向上推入盒子，盒子的倾斜与来自太阳的热能相结合，诱导水在流过时旋转。小涡流有助于使水与上层蒸发层接触，同时保持盐循环，而不是沉降和堵塞。

该团队建造了几个原型，包括1个，3个和10个阶段，并测试了它们在不同盐度的水中的性能，包括天然海水和盐度高7倍的水。

根据这些测试，研究人员计算出，如果每个阶段放大到一平方米，每小时将产生高达5升的饮用水，并且该系统可以在不积累盐的情况下淡化水数年。考虑到这种延长的使用寿命，以及该系统完全是被动的，不需要电力运行的事实，该团队估计运行该系统的总体成本将比在美国生产自来水的成本便宜。

“我们证明这种设备能够实现较长的使用寿命，”钟说。“这意味着，阳光产生的饮用水第一次有可能比自来水便宜。这为太阳能海水淡化解决现实世界的问题开辟了可能性。

“这是一种非常创新的方法，有效地缓解了海水淡化领域的关键挑战，”在德克萨斯大学奥斯汀分校开发可持续水和储能系统的Guihua Yu说，他没有参与这项研究。“该设计对高盐度水的地区特别有益。其模块化设计使其非常适合家庭用水生产，具有可扩展性和适应性，可满足个性化需求。

上海交通大学的研究资金得到了中国自然科学基金的资助。