太陽能海水淡化的新突破使淡水不含有毒鹽水

傳統的海水淡化方法，例如逆滲透和熱蒸餾，成本高且能源密集。它們通常需要在水處理前後進行化學處理，並產生大量被稱為鹽水的濃縮鹽水。當鹽水流回海洋時，鹽水會增加鹽度並降低氧氣含量，從而破壞海洋生態系統。

羅徹斯特大學的研究人員開發了一種新方法，可以解決其中許多挑戰。他們的太陽能海水淡化系統可有效生產淡水，無需化學預處理即可運行，並避免產生鹽水廢物。這項研究由光學和物理學教授、該大學雷射能量學實驗室的高級科學家郭春雷領導。該團隊在期刊中描述了該技術 光：科學與應用。

雷射處理的太陽能電池板推動了這個過程

該系統基於專門設計的由黑色金屬製成的太陽能電池板，並用飛秒雷射進行了紋理處理。這種處理賦予表面兩個重要的特性。它吸收幾乎所有入射的陽光並強烈吸水，這種特性被稱為“超芯吸”。

雷射圖案的活動區域在面板上繪製出一層薄薄的海水。當吸收陽光時，水蒸發並蒸餾成淡水。同時，溶解的鹽和礦物質從活性區域移除並積聚在面板上未經處理的部分（稱為被動區域）中。

透過將鹽移離蒸發區，該設計可防止鹽積聚，從而乾擾連續運作。

利用咖啡環效應避免阻塞

郭指出，幾種太陽能熱淡化技術在實驗室研究中使用僅由水和氯化鈉組成的簡化海水顯示出了有希望的結果。

在這些實驗中，隨著水蒸發，氯化鈉晶體形成鬆散的多孔結構。水可以繼續流過這些晶體，溶解它們並相對容易地清潔系統。

真正的海水要複雜得多。

除了氯化鈉之外，海洋還含有許多其他溶解的礦物質。含有鎂和鈣的材料在結晶時通常會形成堅硬緻密的結殼。這些沉積物會阻塞水流並最終停止海水淡化過程。

這個問題類似於隨著時間的推移在茶壺內積聚的礦物質水垢或堵塞淋浴頭的問題，只不過海水中溶解鹽的濃度更高。

為了克服這項挑戰，羅徹斯特團隊在黑色金屬表面精心設計了微觀凹槽。該模型鼓勵鹽和礦物質在積聚之前遠離活躍區域。

研究人員也利用了一種眾所周知的物理現象，即咖啡環效應。

「如果你將咖啡倒在表面上，水最終會蒸發，並在外緣留下一圈濃縮的咖啡顆粒，」郭說。 “我們使用相同的原理將鹽推進到被動區域。”

當團隊使用從太平洋、大西洋和印度洋採集的水樣本測試該技術時，表面得到了有效的清潔。淡水被不斷提取，而鹽被引導到被動區域，以便稍後可以收集它們，而不會降低性能。

回收有價值的礦物質而不是製造廢棄物

該系統最顯著的優點之一是如何處理過量的鹽。

傳統的海水淡化所產生的液態鹽水必須經過處理、處置或釋放到環境中。相反，新製程以固體形式回收幾乎所有溶解的鹽。

這些回收材料可以成為寶貴的資源。除了生產食鹽外，該過程還可以幫助提取重要的礦物質，例如鋰，鋰是電動車和許多消費性電子產品中使用的鋰離子電池的關鍵成分。

在該雜誌發表的相關研究中 材料化學雜誌A郭和同事證明，同樣的超芯吸太陽能板也可以將鋰與其他鹽分開。

為了實現這一目標，研究人員將鈦酸氫奈米顆粒嵌入黑色金屬表面的微觀凹槽中。這些顆粒選擇性地將鋰與其他溶解的礦物質分離。

「從能源和環境角度來看，從陸地開採鋰已被證明非常困難，因此直接從鹽水中提取鋰可能是一個非常重要的前進方向，」郭說。

研究團隊使用猶他州大鹽湖的水，回收了海水淡化後剩餘鹽中約 50% 的鋰。

大規模淡水生產的潛力

儘管該技術迄今為止僅在概念驗證設備中演示，但郭相信該方法可以大幅擴展。

如果成功部署，該系統可以幫助增加獲得清潔飲用水的機會，同時還可以創造更永續的關鍵礦物質來源。

這項研究得到了美國國家科學基金會、比爾及梅琳達蓋茲基金會和全球大學網路的支持。光學研究所的其他貢獻者包括首席科學家 Subash Singh、校友 Ran Wei ’24（博士）、博士生 Luheng Tang、Tainshu Xu 以及 Mingjian Ma。