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中国科学家发明太阳能海水淡化装置,可用于海上生存或孤岛生存

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DeepTech深科技 2021-06-14 21:20

水是人类重要的资源,也是人类生存必不可缺的条件。地球上超过 70% 的面积都是海洋,拥有大量的水,但对于人类来说,地球水资源中的绝大多数都不能直接饮用,只有 2.5% 是人类可饮用的淡水资源。

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图 | 太阳能海水淡化装置的太阳能吸收器主要由三层构成:最上层为氮氧化钛层,中间是热绝缘层,最底层则是气垫纸层

对许多靠海却淡水资源有限的地区来说,海水淡化技术十分重要。为解决全球水资源短缺问题,各国纷纷致力于开发新的先进材料和技术,以提高海水甚至污染水的淡水质量和产量。

目前的海水淡化技术主要有反渗透膜处理技术和真空淡化技术,但传统净水技术结构复杂、成本高、能耗高、维护成本高,不易于实用化并走向普通百姓的生活中。降低海水淡化装置的成本,以及减少海水淡化所消耗的能源,将给这些地区带来巨大益处。

就在最近,中国科学家研发出一项海水淡化新技术,该技术使用太阳能,不仅清洁环保,而且在淡化效率很高的同时,还可让淡化装置保持较低成本,因此是一项十分有前景的新技术,相关成果已发表在《美国物理联合会》上。

通常,太阳能的利用主要有两种 —— 通过光伏过程将太阳能转换为电能,以及通过光热过程将太阳能转换为热能。与光伏过程不同,太阳能热转换技术使用光热材料收集太阳能并将其转化为热能,已经在许多重要工业过程中被使用,如供电和驱动涡轮机等。这项太阳能海水淡化装置也使用了光热过程。

据悉,这项高效率低成本的太阳能海水淡化装置的最主要部分是太阳能吸收器,太阳能吸收器主要由三层构成:最上层为氮氧化钛层,中间是热绝缘层,最底层则是气垫纸层。

氮氧化钛层的主要作用是要吸收太阳能。当太阳光照射氮氧化钛层时,它会被迅速加热并能使水汽化。然后,将这个装置放到一个带有倾斜的石英屋顶的透明容器中,被汽化的水蒸气在遇到石英屋顶时就会冷凝,接着会沿着倾斜的屋顶,流入透明容器中,直到容器中积满可供人类饮用的淡水。

之所以选择氮氧化钛,是因为它有着较高的太阳能吸收率、以及比较低的热辐射率,即能在较少浪费的条件下,以更高的效率将海水汽化,从而将太阳能有效转化为热能。

正因此,氮氧化钛受到了太阳能产业的青睐,许多商业太阳能吸收涂层上都使用着该材料,比如我们经常见到的太阳能热水系统和光伏装置中,都能看到它的身影。

在本次太阳能海水淡化装置中,氮氧化钛涂层是通过磁控溅射的制造技术生产出来的,据了解磁控溅射是一种物理气相沉积的制造方法。

在磁场中,带电的氮氧化钛离子被吸引并沉积到高孔隙纸上。之所以选择高孔隙纸,是为了让太阳能吸收器可以漂浮在海水上,这种高孔隙纸由木纤维制造,还被用于一次性纸尿布中。

中间的隔热层是由聚乙烯泡沫制成的,这一层中有许多充满空气的孔隙,这些孔隙的作用是捕获热量,从而把从太阳吸收的热量保留在漂浮在海水水库的顶部装置中,这样就能尽量减少热量散发到周围海水。

而最底层的气垫纸层是太阳能吸收器的基材,多孔气垫纸可以重复回收和使用 30 次以上。

科学家们曾担心当随着海水淡化的不断进行,沉淀在氮氧化钛层上的盐分可能会降低海水汽化的效率。但实验结果显示,即使在淡化开始后很长一段时间,氮氧化钛层的表面也并未形成盐层。

科学家们的猜想是,中间层的的多孔隔热层可能吸走了可能在表面形成的盐分,进而将盐分送回了海水库中。

一般来说,每升海水中有超过 75000 毫克的盐,而每 1 升普通饮用水中则有约 200 毫克盐分。这套海水淡化装置,能将海水盐度降低到 2 毫克盐 / 升水以下,这意味着可达到人体饮用标准。

总而言之,本文介绍的太阳能海水淡化系统集成在太阳能蒸馏器内,在 1 次阳光照射下可产生 46% 的可饮用淡水,并能避免盐分浓缩。

预计这种太阳能海水淡化装置可用于海上或孤岛上的生存,从充足的海水源收集淡水。其独特的特点,如成本低、脱盐效率高、防污,为解决淡水短缺问题提供了潜力。期待这项技术在不久的将来,在解决水资源短缺地区的用水问题中发挥巨大作用。

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