最近，美国莱斯大学开发出一种旨在彻底改变水处理工艺的方法，它是一种离网技术，只需要单独使用太阳能，就可以将盐水转化为新鲜的饮用水。
关键字
海水淡化、水资源、纳米技术、太阳能
背景
水，是生命的源泉。随着世界经济不断发展，人口不断增长，环境不断恶化，水资源特别是淡水资源日渐短缺。众所周知，地球上的海水资源很丰富，海水约占地球表面积的71%，而淡水资源仅占所有水资源的约2.5%。
然而，海水又苦又咸，根本无法直接饮用的。因此，人类发明了海水淡化技术，利用海水脱盐生产淡水。目前，海水淡化的方法有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法、膜蒸馏法、以及碳酸铵离子交换法等。
海水淡化的方法中，最古老的就是蒸馏法。盐水先被煮沸，然后获得蒸汽，再通过冷凝盘管。虽然蒸馏法的历史十分悠久，但是它仍然存在一些缺陷:
首先，它需要复杂的设施和设备。其次，由于煮沸水和产生蒸汽需要大量的热量，所以其能源效率也相对低下。运作一个水蒸馏设备，能量耗费占用了一半以上的成本。
最近，出现了一项新兴的海水淡化方法，也就是膜蒸馏(MD)技术，它以疏水微孔膜为介质，热的盐水从多孔薄膜的一侧流入，冷的淡水从另一侧流出。水蒸气在从膜的暖侧到冷侧的过程中，自然地凝结成液态水。由于盐水无需煮沸，所以相对于传统的蒸馏技术来说，所耗费的能量相对较少。
然而，其能耗的成本仍然很高，因为热量在从膜的暖侧向冷侧传输的过程中，会持续的损耗。
创新
由上面的分析可见，降低能耗是海水淡化工艺中的一项重要挑战。最近，美国莱斯大学的一个科研项目旨在彻底改变水处理工艺，由此产生出一种离网技术，只需要单独使用太阳能，就能将盐水转化为新鲜的饮用水。
这种海水淡化系统将膜蒸馏技术与捕光的纳米光子学相结合。它也是位于莱斯大学的多机构工程研究中心-纳米技术水处理中心(NEWT)的首个主要的创新。
研究团队和按比例放大的测试台
(图片来源于:Jeff Fitlow/莱斯大学)
NEWT的“纳米光子学太阳能膜蒸馏”技术，简称“NESMD”，结合了经过检验而可靠的水处理技术，以及将太阳能转化为热能的尖端纳米技术。这项技术的论文在线发表于本周的《美国国家科学院院刊》。
技术
从技术的角度对比传统的膜蒸馏(MD)技术与NEWT的“纳米技术太阳能膜蒸馏”(NESMD)技术，下面这张图是一个很好的说明。太阳光激活的碳黑纳米颗粒组成的多孔层，成为了这项工艺中的加热元件。
(图片来源于:P. Dongare/莱斯大学)
在这之前，NEWT纳米光子学研究项目的领头人、论文的作者之一 、莱斯大学的Naomi Halas的实验室设计过一种工程纳米颗粒，它可以吸收多达80%的太阳能，进而产生水蒸汽，现在NEWT的新技术正是基于这项研究。
通过将这种低成本、商用的纳米颗粒添加到多孔膜中，膜本身转化成了一种单侧加热的元件，它可以单独加热水分，驱动膜蒸馏。
按比例放大的太阳能海水净化技术测试台
(图片来源于:Jeff Fitlow/莱斯大学)
论文描述了这种约三张邮票大小、几毫米厚的NESMD腔体的概念验证结果。腔体中的蒸馏膜，含有由炭黑纳米颗粒注入到孔聚合物中形成的特制的顶层。捕光的纳米颗粒暴露于太阳光的时候，能够加热整个膜的表面。一层半毫米厚的盐水在炭黑层上面流过，而冷却的淡水在下面流过。
莱斯大学NEWT高级处理试验台的领导 Li称，通过聚焦太阳光，水的生产率大幅提高。
“当使用镜头将太阳光聚焦25倍后，强度可达每平方米17.5千瓦，而水的生产率可以增至每小时每平方米6升。”
Li称，NEWT的研究团队已经制造出一个更加大型化的系统，包含一个70厘米乘以25厘米的面板。最终，她说，NEWT希望生产一个模块化系统，用户将可以根据日常用水的需求，定制更多的面板。她说:
“你可以将这些集成到一起，就像太阳能电站的面板一样。根据你所需的水的生产率，你可以计算出需要多大的膜面积。例如，如果你需要每小时20升，那么这些面板每小时、每平方米产生6升，那么你需要订购3平方米多一点的面板。”
创新
对于这项技术的创新价值，我们先看看专家们是怎么说的。
莱斯大学的科学家、水处理专家、论文的作者之一Qilin Li这么说:
“据评估有10亿人面临缺少清洁的饮用水，直接的太阳能海水淡化技术，将从一定程度上改变这种情况。这种离网的技术，能利用少量的资源为家庭提供足够清洁的水，同时它也可以扩展到为大型社区供水。”
莱斯大学的Naomi Halas说:
“不同于传统的膜蒸馏技术，NESMD得益于增加了规模效率。它利用最低限度的泵浦能量，达到最佳的馏分转化，并且我们可以利用一些列方法，进一步优化这项技术，提高产能和效率。”
这项新研究论文的一位合著者、膜工艺方面的领导研究员、耶鲁大学的Menachem "Meny" Elimelec说:
“将光热功能集成到水净化膜中，从而达到直接的、太阳能驱动的海水淡化，为净化水工艺带来了新机会。”
这项技术利用太阳能净化水资源，可以做到清洁、环保、低成本、可持续发展，有利于缓解淡水资源短缺的问题。集成这种技术的海水淡化或者净化水的装置，可应用于天然气和石油开采，贫困缺水地区、以及灾害救援等场景。
参考资料
【1】http://news.rice.edu/2017/06/19/freshwater-from-salt-water-using-only-solar-energy/
【2】Pratiksha D. Dongare et al.Nanophotonics-enabled solar membrane distillation for off-grid water purification.PNAS,June 2017 DOI: 10.1073/pnas.1701835114
