海水淡化大冒險：光熱織物引領(lǐng)海水淡化大冒險
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2025-03-03 14:33:18
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全球水資源中，海水占比高達96%，如何將其轉(zhuǎn)化為可用淡水，是亟待解決的關(guān)鍵課題。傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)依賴化石燃料和電力，成本高昂且?guī)憝h(huán)境問題。太陽能驅(qū)動的海水淡化技術(shù)成為理想選擇，其關(guān)鍵在于制備光熱轉(zhuǎn)換薄膜。 東華大學(xué)朱美芳院士、陳志鋼教授團隊在《材料科學(xué)進展》發(fā)表綜述文章，提出光熱織物方案。陳志鋼團隊研究光熱材料和功能纖維，合成新型光熱納米材料，開發(fā)光熱轉(zhuǎn)換凝膠和光熱織物。光熱織物粗糙紋理表面有助于多次吸收陽光，提高光熱轉(zhuǎn)化效率；復(fù)雜纖維結(jié)構(gòu)帶來高比表面積，增強水與空氣接觸界面；協(xié)同優(yōu)化的親水性和毛細作用，確保海水持續(xù)供應(yīng)；高度柔性可適配多種蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，且成本低、可規(guī)?；a(chǎn)。 在制備技術(shù)上，團隊采用表面改性、高溫碳化、靜電紡絲、氣噴紡絲和結(jié)構(gòu)編織等方法。表面改性增強光吸收能力，靜電紡絲制備高比表面積納米纖維結(jié)構(gòu)提升蒸發(fā)效率。在蒸發(fā)器設(shè)計方面，團隊設(shè)計多種結(jié)構(gòu)，如漂浮型、翻轉(zhuǎn)型等。最新的織物基懸掛式非接觸蒸發(fā)裝置有低熱損失、雙面蒸發(fā)、不析鹽、可長期持續(xù)運行的優(yōu)點。 海水通過毛細作用和重力滲入織物并流動，大部分在上、下雙表面光熱蒸發(fā)，提升蒸發(fā)速率，剩余濃縮海水滴落帶走鹽分，實現(xiàn)長時間穩(wěn)定運行。 目前，通過優(yōu)化蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)效率已突破90%，為淡水資源開發(fā)提供顛覆性解決方案。除海水淡化，光熱織物還可用于催化、發(fā)電以及鹽漬土修復(fù)等領(lǐng)域。不過，光熱織物產(chǎn)業(yè)化面臨降低成本、提高規(guī)模化生產(chǎn)效率和優(yōu)化長期使用性能等挑戰(zhàn)，團隊正積極探索解決方案。 一、主流海水淡化技術(shù)全景掃描 （一）反滲透技術(shù)：高效節(jié)能的主流之選 反滲透是廣泛應(yīng)用的海水淡化技術(shù)，利用半透膜阻止鹽分和雜質(zhì)，施加壓力使水分子通過膜達到淡化目的。其系統(tǒng)包括預(yù)處理、反滲透及后處理三部分。預(yù)處理去除大顆粒物質(zhì)防膜堵塞，反滲透去除鹽分，后處理保證淡水質(zhì)量。反滲透技術(shù)水回收率高，可達60%-90%，能有效去除溶解鹽、細菌及有機物，產(chǎn)出淡水符合飲用水標(biāo)準。 與蒸餾法相比，能耗更低，運行主要耗能在提供壓力?，F(xiàn)代反滲透膜技術(shù)進步，結(jié)合可再生能源，經(jīng)濟性進一步提升。且維護操作簡單，有自動化控制系統(tǒng)，在偏遠地區(qū)及發(fā)展中國家應(yīng)用可行。但該技術(shù)存在膜污染和老化、能耗較高、廢水排放等問題，目前研究者探索新型膜材料及優(yōu)化操作流程以提升其經(jīng)濟性和可持續(xù)性。 （二）多級閃蒸技術(shù)：高效穩(wěn)定的大規(guī)模生產(chǎn)方案 多級閃蒸通過多級壓力降低，讓海水在不同溫度和壓力下連續(xù)蒸發(fā)提取淡水。海水加熱后進入多個閃蒸室，壓力降低使水分子蒸發(fā)成蒸汽，冷凝形成淡水。該技術(shù)能量利用效率高，在較低溫度多次蒸發(fā)，降低能耗，高溫高壓下熱交換效率高，淡水產(chǎn)量大。適應(yīng)性強，能處理高鹽分海水，穩(wěn)定產(chǎn)出符合標(biāo)準的淡水，在干旱和半干旱地區(qū)應(yīng)用普遍。 適合大規(guī)模生產(chǎn)，可模塊化設(shè)計，便于擴展升級。運行穩(wěn)定，減少易損部件使用頻率，降低維護成本，精確控制參數(shù)可避免故障和停機。未來，該技術(shù)將在降低成本、提高熱效率、探索環(huán)保排鹽和處理方式以及結(jié)合可再生能源等方面不斷優(yōu)化。 （三）太陽能蒸餾技術(shù)：清潔可再生的新興力量 太陽能蒸餾是新興的可再生能源驅(qū)動蒸餾方式，借助太陽能加熱水體，利用溫差蒸發(fā)實現(xiàn)淡化。其利用太陽能，清潔可再生，減少對化石燃料依賴，降低碳排放，在太陽能豐富地區(qū)可高效轉(zhuǎn)換水資源，能耗低，適合發(fā)展中國家及偏遠、電力基礎(chǔ)設(shè)施薄弱地區(qū)。過程簡單易操作，設(shè)備包括蒸發(fā)器和冷凝器等，投資和維護成本低，還能與不同材料和結(jié)構(gòu)結(jié)合適應(yīng)不同環(huán)境需求。 但該技術(shù)生產(chǎn)效率受太陽輻射強度、天氣條件及設(shè)備設(shè)計影響，陰雨天氣或夜間淡水生產(chǎn)能力下降，需考慮儲水及備用能源。海水鹽分和雜質(zhì)會腐蝕設(shè)備，蒸發(fā)器底部會積累鹽分結(jié)晶，增加清理難度。當(dāng)前生產(chǎn)淡水成本較高，通過技術(shù)創(chuàng)新與規(guī)?；a(chǎn)降低成本是普及關(guān)鍵。 （四）電滲析技術(shù)：電場驅(qū)動的創(chuàng)新之法 電滲析技術(shù)利用電場原理，通過選擇性膜將正負離子分開，利用電場驅(qū)動力加速離子移動達到脫鹽效果。能耗相對較低，在低鹽濃度水源淡化中表現(xiàn)出色，主要依靠電能驅(qū)動離子遷移，在低鹽濃度和高水流量條件下高效水處理。能有效分離不同類型離子，不僅可用于海水淡化，還能回收水中有價值礦物質(zhì)和重金屬離子。 系統(tǒng)模塊化設(shè)計，易于擴展和維護，可通過增設(shè)電滲析堆調(diào)整處理能力。不過，其應(yīng)用不如反滲透和蒸餾廣泛，選擇性膜耐用性和材料成本需改進，還需嚴格管理電源保證穩(wěn)定工作狀態(tài)。隨著材料科學(xué)和電化學(xué)技術(shù)發(fā)展，性能將進一步提升。 （五）低溫多效法：低能耗的新興技術(shù) 低溫多效法結(jié)合多效蒸餾原理與低溫操作優(yōu)勢，降低操作溫度，利用低等級熱源，如廢熱或可再生能源，實現(xiàn)海水蒸發(fā)和凝結(jié)，能耗顯著低于傳統(tǒng)多效蒸餾技術(shù)。能效比值可達10以上，低能耗使其在能源價格上漲和環(huán)境政策嚴格背景下具備競爭力，低溫操作減少設(shè)備材料腐蝕，延長使用壽命。在中東、北非等干旱地區(qū)已廣泛應(yīng)用，推動當(dāng)?shù)厮Y源可持續(xù)發(fā)展。但推廣面臨成本控制與規(guī)模化應(yīng)用挑戰(zhàn)，科研機構(gòu)和企業(yè)正探索其適應(yīng)性與應(yīng)用前景。 （六）冷凍法：嶄露頭角的新型技術(shù) 冷凍法通過降低海水溫度至凍結(jié)點，使冰晶排除鹽分形成淡水，融化后可得不含鹽分的水。能耗較低，可適用于各種水質(zhì)。從工業(yè)分離角度看，分離系數(shù)高，能耗低，低溫運行對生物污染、結(jié)垢和腐蝕問題不敏感，無需預(yù)處理且較少使用化學(xué)藥品，不向環(huán)境排放有毒化學(xué)物質(zhì)。但該技術(shù)需開發(fā)高效冷卻設(shè)備以及冰的分離與收集技術(shù)。隨著對水資源問題重視，借助清潔能源技術(shù)進步，有望在缺水地區(qū)實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。 二、全球海水淡化應(yīng)用現(xiàn)狀與挑戰(zhàn) 海水淡化技術(shù)在全球得到廣泛應(yīng)用，過去50年間，全球海水淡化能力增長50多倍，為1.5億至2億人提供飲用水。全球約有16000家海水淡化廠，分布在177個國家，每天可產(chǎn)生9500萬立方米淡水。中東、歐洲、澳大利亞等地都有海水淡化廠分布。 海水淡化廠建設(shè)和運營成本受多種因素影響，如設(shè)備采購、土地租賃、技術(shù)、能源成本等。能耗是決定成本關(guān)鍵，過去40年隨著技術(shù)進步能耗降低約90%，規(guī)模越大、技術(shù)越先進，成本相對越低。海水淡化廠危害海洋生物，排放高鹽度鹽水導(dǎo)致海洋酸化，內(nèi)陸海水淡化廠管理有毒污泥儲存困難。 目前有零液體排放系統(tǒng)、創(chuàng)新鹽水?dāng)U散技術(shù)、基于生物的預(yù)處理工藝等輔助方案來應(yīng)對危害。預(yù)計20年內(nèi)全球淡水需求量將超出供應(yīng)量30%以上，膜和能源費用下降將使更多社區(qū)使用海水淡化技術(shù)，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署預(yù)計到2030年海水淡化產(chǎn)量將再次指數(shù)級增長。 海水淡化技術(shù)不斷發(fā)展，光熱織物等創(chuàng)新性方案以及各類主流技術(shù)都在為解決全球水資源危機貢獻力量。未來，隨著技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新和完善，海水淡化有望在全球水資源可持續(xù)利用中發(fā)揮更為關(guān)鍵的作用。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_568951.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。 |
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