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撰文 | 普拉杰·帕特勒(Prachi Patel)
翻譯 | 巢栩嘉
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然而,目前大型海水淡化廠的建設(shè)成本高達(dá)數(shù)百萬(wàn)美元。這類(lèi)工廠大都使用了反滲透技術(shù),這是一道需要施壓讓海水?dāng)D過(guò)反滲透膜的技術(shù),所需的電力成本幾乎占到了整個(gè)工廠開(kāi)支的一半。這道工序還會(huì)產(chǎn)生一種含有有害化學(xué)物的濃鹽水,可能危害當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)。此外,反滲透工廠通常需要利用化石燃料供能,這會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放。盡管各國(guó)的工程師已經(jīng)開(kāi)始采取行動(dòng)(特別是在亞洲和非洲地區(qū))用太陽(yáng)能電池板替代化石燃料,但是這么做并不能解決有毒物質(zhì)的排放問(wèn)題,甚至?xí)a(chǎn)生額外的成本。
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為此,研究人員正在嘗試以更直接的方式利用太陽(yáng)能。其中最簡(jiǎn)單的方式是利用蒸發(fā)作用,蒸出淡水,留下鹽和污染物。數(shù)百年來(lái),人類(lèi)一直都在使用這種被稱(chēng)為太陽(yáng)能蒸餾的技術(shù)。沙特阿拉伯目前正在建造一面巨大的反射鏡,這個(gè)裝置會(huì)將太陽(yáng)光聚集到一個(gè)足球場(chǎng)大小的鋼制玻璃穹頂上,匯聚后的熱量可以使其中的海水蒸發(fā)。
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為了讓這個(gè)過(guò)程變得更便宜、簡(jiǎn)單、便攜,從而讓高質(zhì)量的海水淡化技術(shù)在全世界廣泛應(yīng)用,研究人員也在嘗試使用新的材料和設(shè)計(jì)。娜奧米·哈拉斯(Naomi Halas)是美國(guó)萊斯大學(xué)的電氣與計(jì)算機(jī)工程師,她說(shuō):“發(fā)展中國(guó)家對(duì)淡水資源需求量巨大,太陽(yáng)能熱技術(shù)不僅可以降低海水淡化過(guò)程對(duì)能源的需求,還可以在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)使用?!?/p>
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由美國(guó)能源部主辦的太陽(yáng)能海水淡化獎(jiǎng)(Solar Desalination Prize)即將宣布半決賽人選,這場(chǎng)比賽的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出能以1.5美元的成本生產(chǎn)1000升可用水的系統(tǒng)。萊斯大學(xué)的土木與環(huán)境工程師李琪琳說(shuō):“現(xiàn)在沒(méi)有任何技術(shù)能以如此低成本處理高濃度鹽水?!?/p>
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美國(guó)能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室的克雷格·圖爾希(Craig Turchi)表示,太陽(yáng)能系統(tǒng)可以克服反滲透技術(shù)的一大缺點(diǎn)。因?yàn)榉礉B透技術(shù)一般只能淡化輸入量一半左右的水資源,剩下的鹽分會(huì)逐漸富集堵塞反滲透膜。這種有毒的副產(chǎn)品被稱(chēng)為鹵水,通常會(huì)被傾倒進(jìn)海洋,或者注入地下。而太陽(yáng)能淡化系統(tǒng)可以?xún)艋K}量?jī)杀兑陨系柠}水。美國(guó)能源部發(fā)言人梅根·休斯(Meghan Hughes)表示,這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將涵蓋來(lái)自反滲透工廠的鹽水和美國(guó)西南等地的地下鹽水,以及一些反滲透技術(shù)無(wú)法處理的農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢水。他說(shuō):“一般而言,只有熱驅(qū)動(dòng)技術(shù),也就是我們正在開(kāi)發(fā)的一些技術(shù),才能處理這些高濃度鹽水?!?/p>
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哈拉斯和李琪琳已經(jīng)制造出了一種太陽(yáng)能海水淡化裝置,裝置上有一張多孔的塑料膜,可以讓水蒸氣通過(guò)同時(shí)阻攔其他物質(zhì)。薄膜的一側(cè)覆蓋著微小的碳顆粒,可以吸收太陽(yáng)光的熱量,使與它接觸的鹽水更容易蒸發(fā)。通過(guò)薄膜后水蒸氣會(huì)在另一側(cè)凝結(jié)成淡水。最近,哈拉斯的研究團(tuán)隊(duì)在薄膜上引入了塑料透鏡,太陽(yáng)光的聚集性更好,產(chǎn)生的熱量也更多,這使系統(tǒng)的效率提高了50%。
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研究團(tuán)隊(duì)的計(jì)算結(jié)果表明,他們有望在幾年內(nèi)達(dá)到美國(guó)能源部的成本目標(biāo),也就是在一平米大小的裝置里,每小時(shí)處理出20升的淡水。哈拉斯說(shuō):“我們現(xiàn)在更像是處于福特的T型車(chē)階段,而不是跑車(chē)階段。但這已經(jīng)足以激發(fā)從事商業(yè)開(kāi)發(fā)的機(jī)構(gòu)的興趣了?!?/p>
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戴維·亞希波(David Jassby)是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的土木與環(huán)境工程師,他的團(tuán)隊(duì)使用了類(lèi)似的方法將導(dǎo)熱材料整合到薄膜中。在薄膜下方,研究人員添加了一張能被太陽(yáng)光加熱的細(xì)鋁網(wǎng)。他說(shuō):“這樣就可以把薄膜卷成螺旋狀的模塊,不必大面積地直接暴露在太陽(yáng)光下?!痹谖蓓敎y(cè)試中,每平米薄膜每小時(shí)可以處理出9升淡水。
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這樣的系統(tǒng)適用于亞洲和非洲遠(yuǎn)離電網(wǎng)的村莊,美國(guó)西南部地下水鹽度較高的區(qū)域,以及任何需要緊急使用淡水的環(huán)境。但麻省理工學(xué)院機(jī)械工程師伊夫琳·王(Evelyn Wang)實(shí)驗(yàn)室的研究生張樂(lè)楠(Lenan Zhang,音譯)表示,這項(xiàng)技術(shù)還需要加快研究步伐,以更有效的方式讓太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化出水蒸汽。
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張樂(lè)楠表示,伊夫琳·王的團(tuán)隊(duì)“會(huì)不斷重復(fù)利用能源”提高轉(zhuǎn)化效率。他們研發(fā)的設(shè)備包括10個(gè)尼龍結(jié)構(gòu),每個(gè)結(jié)構(gòu)都有一片黑色的太陽(yáng)能吸收層、一層紙巾和一張鋁膜。在加熱過(guò)程中,黑色吸收層將紙巾中的鹽水蒸發(fā),蒸汽凝結(jié)在鋁膜上。水蒸氣冷凝放熱,熱量傳遞到下一層紙巾協(xié)助蒸發(fā),而不是白白流失。張樂(lè)楠表示,價(jià)值100美元的裝置每小時(shí)可以處理出6升淡水。如果使用更復(fù)雜的材料和設(shè)計(jì),效率還有可能提高一倍。
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另一種有趣的方法利用了加濕的過(guò)程,可以使干燥的空氣通過(guò)鹽水噴霧實(shí)現(xiàn)提純。俄勒岡州立大學(xué)機(jī)械工程師巴赫曼·阿巴西(Bahman Abbasi)說(shuō):“空氣會(huì)吸收水分,但不會(huì)吸收固體鹽分?!彼O(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用太陽(yáng)能加熱、壓縮鹽水和空氣的混合物,并從噴嘴高速射出。這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)漩渦,當(dāng)空氣上升冷凝時(shí),鹽分等固體就會(huì)被推到設(shè)備的另一個(gè)壁面上。實(shí)驗(yàn)表明,這種背包大小的裝置可凈化含鹽度達(dá)到海水3倍的鹽水,每小時(shí)能生產(chǎn)約20升淡水。
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這些成本相對(duì)低廉的技術(shù)都可以為便攜式凈水器或離網(wǎng)應(yīng)用打開(kāi)新的市場(chǎng)。圖爾希表示,相關(guān)技術(shù)最終也有可能打造出大規(guī)模的太陽(yáng)能凈水系統(tǒng),為城市提供飲用水。目前,這些技術(shù)“將作為反滲透技術(shù)的補(bǔ)充,在反滲透技術(shù)難以發(fā)揮的一些場(chǎng)景展現(xiàn)自身的價(jià)值。
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