导读
最近,美国莱斯大学开发出一种旨在彻底改变水处理工艺的方法,它是一种离网技术,只需要单独使用太阳能,就可以将盐水转化为新鲜的饮用水。
关键字
海水淡化、水资源、纳米技术、太阳能
背景
水,是生命的源泉。随着世界经济不断发展,人口不断增长,环境不断恶化,水资源特别是淡水资源日渐短缺。众所周知,地球上的海水资源很丰富,海水约占地球表面积的71%,而淡水资源仅占所有水资源的约2.5%。
然而,海水又苦又咸,根本无法直接饮用的。因此,人类发明了海水淡化技术,利用海水脱盐生产淡水。目前,海水淡化的方法有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法、膜蒸馏法、以及碳酸铵离子交换法等。
海水淡化的方法中,最古老的就是蒸馏法。盐水先被煮沸,然后获得蒸汽,再通过冷凝盘管。虽然蒸馏法的历史十分悠久,但是它仍然存在一些缺陷:
首先,它需要复杂的设施和设备。其次,由于煮沸水和产生蒸汽需要大量的热量,所以其能源效率也相对低下。运作一个水蒸馏设备,能量耗费占用了一半以上的成本。
最近,出现了一项新兴的海水淡化方法,也就是膜蒸馏(MD)技术,它以疏水微孔膜为介质,热的盐水从多孔薄膜的一侧流入,冷的淡水从另一侧流出。水蒸气在从膜的暖侧到冷侧的过程中,自然地凝结成液态水。由于盐水无需煮沸,所以相对于传统的蒸馏技术来说,所耗费的能量相对较少。
然而,其能耗的成本仍然很高,因为热量在从膜的暖侧向冷侧传输的过程中,会持续的损耗。
创新
由上面的分析可见,降低能耗是海水淡化工艺中的一项重要挑战。最近,美国莱斯大学的一个科研项目旨在彻底改变水处理工艺,由此产生出一种离网技术,只需要单独使用太阳能,就能将盐水转化为新鲜的饮用水。
这种海水淡化系统将膜蒸馏技术与捕光的纳米光子学相结合。它也是位于莱斯大学的多机构工程研究中心 - 纳米技术水处理中心(NEWT)的首个主要的创新。
研究团队和按比例放大的测试台
(图片来源于:Jeff Fitlow/莱斯大学)
NEWT的“纳米光子学太阳能膜蒸馏”技术,简称“NESMD”,结合了经过检验而可靠的水处理技术,以及将太阳能转化为热能的尖端纳米技术。这项技术的论文在线发表于本周的《美国国家科学院院刊》。
技术
从技术的角度对比传统的膜蒸馏(MD)技术与NEWT的“纳米技术太阳能膜蒸馏”(NESMD)技术,下面这张图是一个很好的说明。太阳光激活的碳黑纳米颗粒组成的多孔层,成为了这项工艺中的加热元件。
(图片来源于:P. Dongare/莱斯大学)
在这之前,NEWT纳米光子学研究项目的领头人、论文的作者之一 、莱斯大学的Naomi Halas 的实验室设计过一种工程纳米颗粒,它可以吸收多达80%的太阳能,进而产生水蒸汽,现在NEWT的新技术正是基于这项研究。
通过将这种低成本、商用的纳米颗粒添加到多孔膜中,膜本身转化成了一种单侧加热的元件,它可以单独加热水分,驱动膜蒸馏。
按比例放大的太阳能海水净化技术测试台
(图片来源于:Jeff Fitlow/莱斯大学)
论文描述了这种约三张邮票大小、几毫米厚的NESMD腔体的概念验证结果。腔体中的蒸馏膜,含有由炭黑纳米颗粒注入到孔聚合物中形成的特制的顶层。捕光的纳米颗粒暴露于太阳光的时候,能够加热整个膜的表面。一层半毫米厚的盐水在炭黑层上面流过,而冷却的淡水在下面流过。
莱斯大学NEWT高级处理试验台的领导 Li 称,通过聚焦太阳光,水的生产率大幅提高。
“当使用镜头将太阳光聚焦25倍后,强度可达每平方米17.5千瓦,而水的生产率可以增至每小时每平方米6升。”
Li 称,NEWT的研究团队已经制造出一个更加大型化的系统,包含一个70厘米乘以25厘米的面板。最终,她说,NEWT希望生产一个模块化系统,用户将可以根据日常用水的需求,定制更多的面板。她说:
“你可以将这些集成到一起,就像太阳能电站的面板一样。根据你所需的水的生产率,你可以计算出需要多大的膜面积。例如,如果你需要每小时20升,那么这些面板每小时、每平方米产生6升,那么你需要订购3平方米多一点的面板。”
创新
对于这项技术的创新价值,我们先看看专家们是怎么说的。
莱斯大学的科学家、水处理专家、论文的作者之一 Qilin Li 这么说:
“据评估有10亿人面临缺少清洁的饮用水,直接的太阳能海水淡化技术,将从一定程度上改变这种情况。这种离网的技术,能利用少量的资源为家庭提供足够清洁的水,同时它也可以扩展到为大型社区供水。”
莱斯大学的Naomi Halas 说:
“不同于传统的膜蒸馏技术,NESMD 得益于增加了规模效率。它利用最低限度的泵浦能量,达到最佳的馏分转化,并且我们可以利用一些列方法,进一步优化这项技术,提高产能和效率。”
这项新研究论文的一位合著者、膜工艺方面的领导研究员、耶鲁大学的 Menachem 'Meny' Elimelec 说:
“将光热功能集成到水净化膜中,从而达到直接的、太阳能驱动的海水淡化,为净化水工艺带来了新机会。”
这项技术利用太阳能净化水资源,可以做到清洁、环保、低成本、可持续发展,有利于缓解淡水资源短缺的问题。集成这种技术的海水淡化或者净化水的装置,可应用于天然气和石油开采,贫困缺水地区、以及灾害救援等场景。
参考资料
【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
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