罗切斯特大学太阳能热法海水淡化系统

无浓盐水废弃物的太阳能热法海水淡化

罗切斯特大学光学研究所和激光能学实验室的研究人员开发了一种太阳能热法海水淡化工艺，该工艺在生产淡水的过程中不会产生被称为“浓盐水”的浓缩盐水副产品。与传统的反渗透或热蒸馏不同，该方法利用太阳能蒸馏水，并将剩余的盐分转化为可用于工业用途的固体材料，以便进行回收利用。

该系统的核心技术依赖于由飞秒激光蚀刻的黑色金属制成的太阳能电池板。这一过程创造了一个既是“超强吸光”又是“超强吸附”的表面，这意味着它对水具有极强的吸引力。

传统的太阳能热法海水淡化在处理实际海洋海水时经常失败，因为钙和镁等矿物质会结晶成无孔的硬壳，从而堵塞表面。由 Chunlei Guo 教授领导的罗切斯特大学团队通过在黑色金属上精确地蚀刻出沟槽，确保了盐分能够脱落。

该设备利用了“咖啡环效应”——即液体蒸发时在液滴边缘留下浓缩颗粒环的相同物理现象。该系统利用这一原理将盐分从活跃的淡化区域推向面板的“被动”区域，从而保持活跃区域的自清洁能力并维持持续的效率。

由于该系统以固体形式而非液体浓盐水形式提取了近 100% 的盐分，它将废弃物转化为了资源。这使得回收食盐和更具价值的矿物成为可能。

在发表于 Journal of Materials Chemistry A 的一项相关研究中，研究人员展示了从其他盐类中分离锂的能力。通过将氢钛酸盐纳米颗粒嵌入黑色金属表面的沟槽中，该团队从大盐湖（Great Salt Lake）的水样中提取了大约 50% 的锂。

虽然概念验证展示了巨大的潜力，但技术讨论强调了实现商业规模化应用的几个障碍：

一些分析师指出，海水淡化存在一个基本的最低能量需求。虽然该系统使用太阳能热能而非电力，但批评者认为，其效率应与使用相同表面积的太阳能光伏面板驱动的传统反渗透系统的输出进行比较。

研究数据表明了一个特定的吞吐量率。根据对论文的分析，一个表面积为 9 cm² 的设备在 9 小时内产生了 9.3g 的淡水和 0.343g 的海盐，这按比例放大后约为每天每平方米 10.33 升淡水。

针对蚀刻金属表面的飞秒激光器所需的获取难度和成本，人们提出了疑虑。此外，当前在玻璃罩内的实验室规模演示证明可能还无法直接转化为能够连续运行多年而无需更换材料的稳健、长期工业系统。

除了锂之外，还有回收镁和硫酸盐的潜力。一些观察者建议，如果副产物是固体而非液体，提取镁的成本（由于通常需要碱处理而导致价格昂贵）可能会显著降低，从而可能抵消海水淡化的成本。