新型材料實(shí)現(xiàn)高效海水淡化，成本比超市礦泉水還便宜

環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

首圖來(lái)源：iStock Image

撰文| Bell

編輯 | 小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的2034篇原創(chuàng)

聯(lián)合國(guó)教科文組織的最新數(shù)據(jù)揭露了一幅嚴(yán)峻圖景：在地球上，25%的人口正在面臨“極度缺水”的困境。到2030年，全球淡水缺口可能高達(dá)40%。

面對(duì)這個(gè)數(shù)字，人們自然會(huì)把目光投向占地球表面七成的海洋。

然而，海水淡化從來(lái)都不是一件容易的事——它要么消耗大量電能，要么依賴龐大昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施。

太陽(yáng)能界面蒸發(fā)因此被視為一條充滿希望的綠色路徑：利用光熱材料將太陽(yáng)能高效轉(zhuǎn)化為熱能，并將熱量局域在水-空氣界面以驅(qū)動(dòng)海水蒸發(fā)，進(jìn)而通過(guò)冷凝獲取淡水。

圖說(shuō)：太陽(yáng)能海水淡化概念圖

來(lái)源：Magnific

原理聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但真正落地卻并不容易。

最擅長(zhǎng)吸收太陽(yáng)光、轉(zhuǎn)化熱能的，往往是納米尺度的粉體材料——它們比表面積巨大，光吸收能力出色。

可一旦要把這些極細(xì)的粉末做成一塊可以實(shí)際使用的蒸發(fā)器件，麻煩就來(lái)了：納米顆粒天生愛(ài)“抱團(tuán)”，像面粉一樣容易團(tuán)聚，不僅堵塞水汽通道，還讓三維結(jié)構(gòu)變得松散脆弱。

而且，許多用來(lái)支撐這些顆粒的有機(jī)高分子基底，在長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)光照射下會(huì)慢慢被自身產(chǎn)生的活性自由基攻擊，像塑料在太陽(yáng)下老化開(kāi)裂一樣，幾個(gè)月后性能就大打折扣。

高性能粉體與實(shí)用化器件之間的障礙始終難以逾越。

近日，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所與深圳大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，用一種做“針線活”的思路，巧妙地化解了這個(gè)問(wèn)題。

他們開(kāi)發(fā)出的新型3D材料，不僅使太陽(yáng)能海水蒸發(fā)速率大幅提升，還通過(guò)戶外試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了從海水淡化到農(nóng)業(yè)灌溉的初步探索。

更關(guān)鍵的是，該裝置運(yùn)行時(shí)間達(dá)到兩年后，每立方米淡水的成本將比超市里的礦泉水更便宜。該成果發(fā)表于國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。

圖說(shuō)：可持續(xù)農(nóng)業(yè)用一體化光伏-光熱混合海水淡化系統(tǒng)

來(lái)源：中科院過(guò)程工程研究所

研究人員的靈感來(lái)源于“鎖扣”——如果能把納米顆粒變成一顆顆“扣子”，再用有機(jī)高分子“線”把它們牢牢縫在一起，不就能既防止團(tuán)聚，又搭出堅(jiān)固的三維骨架了嗎？

關(guān)鍵在于選對(duì)“線”，并且讓“線”恰好穿過(guò)“扣子”的孔。

研究人員首先實(shí)現(xiàn)了非晶五氧化二鉭/碳（Ta2O5/C HoMS）復(fù)合材料的制備，這是一種擁有空心多殼層結(jié)構(gòu)的納米球殼。它像套娃一樣，從外到內(nèi)有好幾層薄殼，每層殼上都布滿納米級(jí)微孔。

同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)算出聚酯高分子與各種溶劑的相容性參數(shù)，最終選定乙酸乙酯作為“穿針引線”的介質(zhì)。

在80攝氏度的溶劑中，聚酯分子鏈像柔軟的長(zhǎng)線，順著溶劑分子鉆入球殼的層層孔隙，精準(zhǔn)地“纏繞”在每一層殼的內(nèi)外表面。

冷卻之后，高分子鏈便像鎖扣一樣死死卡在殼層之間，把數(shù)以億計(jì)的納米球殼連成一片立體的“納米森林”。

圖說(shuō)：光熱材料的光學(xué)圖像

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73756

多層球殼的結(jié)構(gòu)讓入射陽(yáng)光在里面來(lái)回反射、多次散射，像光線在布滿鏡子的迷宮中穿梭，最終被捕捉吸收——整片材料的太陽(yáng)光吸收率高達(dá)90.2%。

更妙的是，水分子被吸入這些納米級(jí)的孔隙后，原有的氫鍵網(wǎng)絡(luò)被“打散重組”，大量高活性的“中間水”取代了需要更多能量才能掙脫的“自由水”。

結(jié)果就是，蒸發(fā)同樣多的水，所需能量降低了45.7%。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，單根這樣的蒸發(fā)體每小時(shí)每平方米能蒸發(fā)超過(guò)38公斤水，是團(tuán)隊(duì)此前二維薄膜器件的8.5倍。

不過(guò)，真正讓這項(xiàng)研究走出實(shí)驗(yàn)室的，是一連串關(guān)于“好用”和“耐用”的證明。

首先，這種“鎖扣”結(jié)構(gòu)非常結(jié)實(shí)。團(tuán)隊(duì)把復(fù)合材料放在海水中以每分鐘450轉(zhuǎn)的速度連續(xù)攪拌30天來(lái)模擬極端惡劣的海況，結(jié)果在顯微鏡下幾乎找不到一顆脫落的納米顆粒。

同時(shí)，電子順磁共振檢測(cè)還顯示，這種材料在光照下完全不產(chǎn)生超氧自由基或羥基自由基，相當(dāng)于從根源上掐斷了“自毀”的化學(xué)鏈條。這意味著，它可以在太陽(yáng)下穩(wěn)定工作數(shù)年而性能不衰。

有了穩(wěn)定的光熱材料，接下來(lái)就是把它融入一個(gè)完整的系統(tǒng)。

團(tuán)隊(duì)在中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程所廊坊工程試驗(yàn)基地，用20升反應(yīng)釜實(shí)現(xiàn)了百克級(jí)的材料穩(wěn)定量產(chǎn)——這為后續(xù)放大打下了基礎(chǔ)。

接著，他們借助計(jì)算機(jī)流體模擬，優(yōu)化了上千根蒸發(fā)纖維的排列方式，發(fā)現(xiàn)四邊形陣列能讓水蒸氣最順暢地散發(fā)出去，避免“蒸汽擁堵”。

基于此，他們搭建了一個(gè)0.75平方米的光伏-光熱耦合系統(tǒng)：太陽(yáng)能電池板驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，把蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣主動(dòng)輸送到冷凝模塊，實(shí)現(xiàn)淡水回收。

圖說(shuō)：具有模塊化蒸發(fā)-冷凝分離的光伏-光熱混合海水淡化系統(tǒng)5平方米示范地塊；作物由該系統(tǒng)灌溉

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73756

在河北廊坊的戶外測(cè)試中，這套裝置在自然光照下一天收集了20.16升淡水——這些水足夠約10個(gè)成年人一天的飲用需求，且水質(zhì)經(jīng)檢測(cè)完全符合世界衛(wèi)生組織飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

更有說(shuō)服力的是，這些水被用來(lái)灌溉一塊5平方米的試驗(yàn)田，菠菜、玉米、小白菜等作物健康生長(zhǎng)了一年，完成了從播種到收獲的完整周期。

全生命周期成本分析表明，這套0.75平方米的系統(tǒng)每年平攤成本約540美元（約合人民幣3675元）。

運(yùn)行兩年后，每立方米淡水的成本將低于市售瓶裝水；而如果把規(guī)模擴(kuò)大到12平方米，運(yùn)行四年就能與北京的自來(lái)水價(jià)格持平。

來(lái)源：Getty Images

對(duì)于年均日照超過(guò)2800小時(shí)的沿海地區(qū)而言，這意味著太陽(yáng)和海水組合，有望在不遠(yuǎn)的將來(lái)成為成本可接受的穩(wěn)定淡水來(lái)源。

Reference：

[1]https://ipe.cas.cn/xwdt_/kyjz/202606/t20260623_8231994.html

[2]https://finance.eastmoney.com/a/202606223778315461.html

[3]https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73756

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