无膜太阳能海水淡化技术获新突破，还可处理高盐度浓盐水

无膜淡化系统由Rice大学实验室开发，目前主要应用于离网社区，尚未推广至大规模沿海海水淡化。

然而，研发团队已在解决大规模海水淡化中常见的关键难题方面取得了突破。

例如，传统大型集中式海水淡化厂普遍依赖易受污染的过滤膜，而新系统成功摒弃了这一技术瓶颈，显著提升了系统的稳定性和使用寿命。

Rice大学电子与计算机工程专业博士、美国国家科学基金会（NSF）奖学金获得者William Schmid一直致力于提升光驱动海水淡化的效率。他说：“离网社区获取清洁淡水面临诸多挑战。我们希望专注于开发分散式、模块化脱盐系统。”

研究团队致力于设计一种更具适应性、更高韧性且成本更低的离网海水淡化系统，以替代现有方案。

最终，他们研发出名为 “太阳能热共振能量交换淡化系统”（STREED） 的新型装置。

该系统以太阳能为动力，并通过一种“创新的热回收方法”有效对应阳光变化，确保在光照不稳定时仍可持续产水。

此外， STREED还具备处理高盐度浓盐水的能力 ，进一步提升了其实用性和可靠性。

 

图1  光能与热回收共振驱动装置示意图

该系统的核心在于回收并再利用海水淡化过程中产生的能量。 在淡化过程中，盐水被加热蒸发，蒸汽上升并与盐分及其它杂质分离。

当蒸汽冷却后凝结为淡水，完成净化过程。整个过程中的能量流动至关重要：蒸发阶段需要输入能量，以打破盐水分子间的化学键，而在凝结为液态水的过程中，这部分能量又被释放。

STREED系统之高效运行正是基于对这一能量“相变”过程的充分利用，实现了热能在系统内部的有效回收与循环使用。

STREED系统在蒸发/冷凝过程中的热传递机制，借鉴了与钟摆或电路等“共振”系统中相似的物理原理。

研究人员解释称， 共振系统是一种能量在不同形式之间以周期性方式自然振荡的系统，并且在特定的“共振频率”下效率最高。

与传统机械或电气系统不同， STREED的“共振”来自于盐水流动与空气流动（蒸汽）之间能量交换与保持。

当系统调整到最佳状态时，热量会在这两股流体之间以共振模式来回传递，从而高效地储存与输送热能，即便在阳光被云层遮挡或落日之后，系统仍能持续运行。

得益于这一独立的“共振能量传递”机制，STREED无需依赖外部储能设备，避免了传统能源存储系统带来的高成本与维护负担。

Schmidt补充道：“我们最核心的创新，是借鉴电气工程与振荡系统的原理，根据太阳辐射的变化，动态调节系统内部的流速。这种基于光照变化的流体控制机制从未被尝试过。

该系统由不可降解材料构成，且运行维护成本极低。为评估其在不同光照条件下的运行能力。

研究团队利用美国不同地区太阳辐射强度数据进行了仿真测试，从多云的俄勒冈州波特兰到阳光充足的新墨西哥州阿尔伯克基，涵盖了多种典型气候环境。

在初始测试中， 该系统每小时可产出 0.75 L/h饮用水，其一周运行周期内水回收效率比传统静态流系统高出77%，显示出显著的优性能势。

该研究联合作者、Rice大学应用物理研究生Aleida Machorro-Ortiz在接受媒体采访时表示：“我们的研究结果表明，虽然在阳光充足地区系统淡水产量更高，但实现高能量转化效率并不依赖于高太阳辐射强度。”

尽管膜技术在海水淡化领域发展迅速，但传统膜系统仍面临污染（fouling）和磨损和老化等问题。而STREED系统则以空气取代了膜组件。

与常见的用膜分离开的液-液双通道设计不同，STREED采用一种单一受热的污染水或盐水通道，其一侧邻接着一个空气通道，用于带走水蒸气。这些蒸气随后在水-空气热交换器中冷凝为淡水，杂质则被留在原通道中，从而实现淡化过程。

该研究的作者、Rice大学电子与计算机工程系助理教授Alessandro Alabastri表示，简单的系统设计是有意为之。“ 我们之所以选择去除膜组件，是因为没有膜就不会出现污染或破损问题，这使得系统更加稳定。我们在选材上也有意识地采用了耐用、低维护的材料 ，以确保系统具备良好的可扩展性和实用性，方便其在不同场景中推广应用。”

 

STREED系统初期开发工作主要集中在验证共振能量传递技术能否成功应用于坚固耐用的非膜系统，并研究如何在无需外部热能储存的情况下，适应不断变化的太阳能。

尽管目前该项目的研发工作尚未明确如何处理所产生的浓盐水，但施密特认为，STREED具有发展成为零排放（ZLD）系统的潜力。

他在接受Aquatech Online采访时表示：“ 零液体排放（ZLD）系统能够将盐水中的所有水分转化为淡水，同时将所有固体杂质留在原处，这带来了多项优势 ，比如，更高的淡水回收率、更有效的废弃物管理，以及盐分和矿物质的回收利用。”

他补充道：“ 对于超出膜技术适用盐度范围的高浓盐水，我们的系统仅表现出能效的轻微下降。 通过将加热过程与盐水进料分离，我们有望将STREED适用范围扩展到极高盐度，从而实现零液体排放。 未来的研究计划将重点探索将STREED系统升级为ZLD技术的可能性。”

STREED系统在设计之初就将模块化作为优先考虑因素，这意味着单一单元可以灵活组合，以满足不同的需求。

Alabastri 在接受 Aquatech Online 采访时表示：“我们认为，易于扩展的设计对于分散式、离网水资源生产技术至关重要，因为离网社区的淡水需求差异很大，而且随着时间也会发生变化。”

她补充道：“少量的STREED单元就能满足小型社区的用水需求，但随着社区的发展，始终可以增加更多单元组件。这也是我们下一步研究的重要方向——确定在特定土地面积、太阳能资源和水需求条件下，最有效的模块化系统配置方案。”