科学家研发多级太阳能蒸馏技术能在20%的盐度下运行

  太阳能蒸馏式海水淡化是一种纯被动、可离网工作的零碳淡水供给技术，这项技术在学界的共同努力下已经实现了能效的大幅度提升。

  因此制约这项技术实际应用的是长效性：产水成本取决于装置的能效、寿命和成本。

  之前的技术大多采用多孔介质作为蒸发器，这大幅能够大大减少热损并提升能效，也是助推该领域加快速度进行发展的技术路线，但多孔介质的使用同时造成了抗盐能力的下降。

  当盐水中的水蒸发之后，盐分会留在多孔介质蒸发器内快速积累，最终饱和析出并造成蒸发性能直线下降或者失效，这导致装置寿命非常有限。

  在采用多孔介质作为蒸发器时，提升太阳能蒸馏装置的能效和寿命之间有矛盾。

  在大自然中也存在海水被太阳能加热蒸发和冷凝降雨的“蒸馏”过程，而海水蒸发还会带来温盐对流现象，这种千米级的现象是海洋中物质交换的一种重要驱动力。

  受到这种自然现象的启发，上海交通大学教授徐震原和合作者，跳出原有多孔蒸发器的使用，提出一种基于漂浮连通器的受限水层蒸发器设计方案。

  并通过调控温度、盐度梯度获得了毫米级的温盐对流现象，形成很小的漩涡。一方面能够强化局部传热，另一方面能快速移除蒸发带来的盐分积累。

  在这种微小尺度温盐对流的帮助下，他们提出了这种温盐对流强化的多级太阳能蒸馏技术，解决了太阳能蒸馏装置在提升能效和寿命之间的矛盾，在不同浓度下均实现了被动式太阳能蒸馏效率的突破，甚至实现了 20wt% 浓缩海水的长时间稳定淡化，将产水成本降低超过一个数量级，使这项技术真正具备实用化的前景。

  审稿人认为本次论文是“第一篇在膜蒸馏中考虑温盐对流的论文”“使用受限盐水通道进行太阳能海水淡化可以从根本上避免盐堵塞”“在 20% 盐度下的运行尤其令人印象非常深刻”。

  此外，本次论文也被 Joule 期刊选为当期的 Featured Article，这让该团队更有信心和动力继续做下去。

  最直接的应用前景便是论文中提到的被动式太阳能海水淡化。相比于采用多孔介质蒸发器的太阳能蒸馏，本次技术不受毛细输运的限制，装置能做的更大，同时也能够最终靠模块化的设计实现规模化应用。

  这种技术能直接在离网或海岛地区使用，解决当地的淡水短缺，而且采取本次设计的具体方案，在进行尺寸放大之后甚至还能降低比表面积和热损，实现进一步的性能提升。

  一方面，相比传统海水淡化技术，本次技术不需要真空运行、可被动补给盐水，在与余热利用结合后能轻松实现低成本的海水淡化。

  另一方面，他们的技术在耐盐度上有独特优势，可以用在一些需要进行高浓度盐水浓缩的场景，例如盐湖或海水资源提取等场景。

  2020 年，课题组发表了局部加热型多级太阳能蒸馏的论文，并实现了被动式太阳能海水淡化能效的显著提升。上述成果在当时受到很多关注，并入选 2020 年度的麻省理工学院年度研究新闻。

  当时也有很多人询问课题组实际应用的可能性，但是他们自己清楚当时的研究只解决了能效这样的一个问题，在实际应用中长效性任旧存在很大挑战。

  基于此，课题组定下了提升装置长效性的研究方向，最主要的就是提升蒸发过程的耐盐能力。

  最开始他们只知道要克服能效提升和长效性提升的矛盾，就必须跳出多孔介质的使用，所有就设计了漂浮连通器的受限水层蒸发设计。

  但在实验中他们发现了可重复的温度异常波动，这在课题组此前的研究中从来就没出现过。这让他们非常激动，因为这必然代表着一些没意识到的现象存在。

  通过进一步的实验、仿真和文献查阅，他们确定这是类似于海洋中温盐对流的一种现象，只不过实验中对流的尺寸要小的多，它带来的周期性流动导致了温度的异常波动。

  接下来，课题组针对这种新现象进行了详细研究，并充分的发挥它的能力来强化太阳能蒸馏过程，最终实现了高效、强耐盐的太阳能蒸馏。

  日前，相关论文以《具有温盐对流的极耐盐多级太阳蒸馏》（Extreme salt-resisting multistage solar distillation with thermohaline convection）为题发在 Joule[1]。

  上海交通大学博士生高金彤、美国麻省理工学院张乐楠为论文共同一作，徐震原和美国麻省理工学院教授 Evelyn N. Wang 担任共同通讯作者。

  一方面，课题组觉得目前这项技术已具备实用化的属了，所以下一步希望找到比较合适的应用场景，进行技术放大和应用，真正解决一些离网地区的淡水供给问题。

  另一方面，其认为温盐对流这种有趣的现象值得更深层次的研究，希望把此现状触发还有作用研究透彻，看看是否能在其他技术中也起到作用。

  1.Gao, J., Zhang, L., You, J., Ye, Z., Zhong, Y., Wang, R., ... & Xu, Z. (2023). Extreme salt-resisting multistage solar distillation with thermohaline convection.Joule, 7(10), 2274-2290.