麻省理工学院

图片：麻省理工学院的研究人员设计了一种新型太阳能海水淡化系统，该系统吸收盐水并用自然阳光加热。 该系统可以冲掉积累的盐分，因此不需要经常更换零件，这意味着该系统有可能以比自来水便宜的速度和价格生产饮用水。 查看 更多

Credit: Credit: Jintong Gao and Zhenyuan Xu

麻省理工学院和中国的工程师们的目标是通过一种完全被动的装置将海水转化为饮用水，该装置的灵感来自海洋，并由太阳提供动力。

杂志上的一篇论文中 在今天发表在《焦耳》 ，该团队概述了一种新型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对其进行加热。

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”循环。 这种循环与太阳的热量相结合，促使水蒸发，留下盐。 然后可以将产生的水蒸气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并流出设备，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脱盐率。

研究人员估计，如果该系统扩大到一个小手提箱的大小，每小时可生产约 4 至 6 升饮用水，可持续使用数年，然后才需要更换零件。 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。

“第一次，由阳光产生的水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张乐南说。

该团队设想，扩大规模的设备可以被动地生产足够的饮用水，以满足一个小家庭的日常需求。 该系统还可以为易于获取海水的离网沿海社区供电。

Zhang’s study co-authors include MIT graduate student Yang Zhong, and Evelyn Wang, the Ford Professor of Engineering, along with Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang, and Zhenyuan Xu of Shanghai Jiao Tong University in China.

强大的对流

该团队的新系统改进了 之前的设计 ——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，利用太阳的热量被动地将盐与进水分离。 该团队在麻省理工学院大楼的屋顶上测试了该设计，有效地将太阳能转化为蒸发水，然后将水凝结成饮用水。 但剩下的盐很快就会积聚成晶体，几天后就会堵塞系统。 在现实环境中，用户必须频繁放置舞台，这将显着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 ，这次增加了一项功能，有助于循环流入的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度淡化水。

在最新的迭代中，该团队相信其设计能够同时实现高产水率和高脱盐率，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结合了之前的两个概念：蒸发器和冷凝器的多级系统，该系统还被配置为促进每个阶段内水和盐的循环。

“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千米长的对流，”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——这种现象根据海水温度（“温盐”）和盐度（“盐度”）的差异，驱动世界各地的水运动。 ）。

“当海水暴露在空气中时，阳光会使水蒸发。 一旦水离开表面，盐就会残留下来。 盐浓度越高，液体越稠密，这种较重的水会向下流动，”张解释道。 “通过在小盒子里模仿这种一公里宽的现象，我们可以利用这个特性来拒绝盐。”

敲出

该团队新设计的核心是一个类似于薄盒子的单级，顶部采用深色材料，可有效吸收太阳的热量。 在内部，盒子分为顶部和底部。 水可以流过上半部分，天花板上排列着蒸发器层，利用太阳的热量来加热并蒸发任何直接接触的水。 然后水蒸气被输送到盒子的下半部分，在那里冷凝层将水蒸气空气冷却成无盐的可饮用液体。 研究人员将整个盒子倾斜地放置在一个更大的空容器中，然后将一根管子从盒子的上半部分向下穿过容器的底部，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，导致水在流过时产生漩涡。 小涡流有助于使水与上蒸发层接触，同时保持盐循环，而不是沉淀和堵塞。

该团队建造了多个原型，包括一级、三级和十级，并在不同盐度的水中测试了它们的性能，包括天然海水和盐度七倍的水。

根据这些测试，研究人员计算出，如果每个阶段扩大到一平方米，每小时最多可生产 5 升饮用水，并且该系统可以在几年内不积累盐分的情况下淡化水。 鉴于使用寿命延长，而且该系统完全是被动式的，无需电力即可运行，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。

“我们证明该设备能够实现较长的使用寿命，”钟说。 “这意味着，阳光产生的饮用水首次有可能比自来水更便宜。 这为太阳能海水淡化解决现实世界问题提供了可能性。”

上海交通大学的这项研究得到了国家自然科学基金委的支持。

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作者：Jennifer Chu，麻省理工学院新闻