科學家推出杯型太陽能蒸餾器,除了淡化海水更可用在鹵水處理

作者 | 發布日期 2019 年 04 月 15 日 8:45 | 分類 太陽能 , 環境科學 follow us in feedly

海水淡化是近海沙漠國家重要的飲用水來源,但目前海水淡化工程大多離不開化石燃料,也會產生大量鹵水,其實並不怎麼環保。對此,沙烏地阿拉伯阿布都拉國王科技大學(KAUST)已推出新型太陽能蒸餾器,除了提高吸光效率跟壽命,也能可回收近 100% 海水淡化副產品,對高鹽分工業廢水、鹵水處理也大有幫助。




這並非 KAUST 第一個太陽能海水淡化研究,該大學在 2018 年也推出新一代綠色蒸發技術,研究團隊在光熱材料上添入摺紙藝術元素,使傳統的 2D 光熱設備晉升為 3D 形式,進一步提高吸熱層表面積,有效提高 50% 蒸發率。

而該團隊此次則帶來另一項研究:他們想要解決海水快速蒸發後、大量累積的鹽結晶問題。其中海水淡化技術分為逆滲透與蒸餾方式,逆滲透是利用壓力與逆滲透膜來分離水與鹽,雖然效率高,但會產生高鹽度海水鹵水;蒸餾則是透過加熱海水,鹽分與水蒸氣分離後,將水蒸氣冷凝收集成為淡水。

隨著科技日新月異,海水淡化蒸餾法已經不再需要透過「煮海取鹽」類似的方法,改用光熱設備來達成,然而在光熱材料加熱過程中,液體會快速蒸發,與此同時容器中溶液的鹽分濃度也會不斷攀升,這時候光熱材料可能就會被鹽結晶堵住,阻礙光熱材料的光吸收、降低蒸餾速度。

為了解決這一大問題,KAUST 首先想觀察「海水蒸發過程」,進而理解鹽結晶是如何形成的。他們透過二氧化矽跟碳為主的太陽能海水淡化薄膜進行測試,發現隨著水分蒸發、鹽分濃度到達一定程度後,薄膜外圍會逐漸累積鹽結晶,並漸漸由外往內蔓延至內部,最後在正中心止步。

該團隊也指出,不管溶液的鹽分濃度如何,鹽結晶就是不會出現在中央區域,KAUST 海水淡化與再利用中心科學家 Peng Wang 表示,團隊認為,若要提高太陽能蒸餾性能,改變結構設計應該是關鍵鑰匙。

▲ 杯型設計的轉換狀況。最右側為 120 小時後的情形,每張圖間格為 24 小時。(Source:KAUST

研究團隊在進一步電腦模型實驗中,開始推測不同濃度條件下鹽殼環的內徑,並根據無鹽區域研發出一個帶有圓形底部的 3D 杯子設計,希望能誘導鹽分在杯子邊緣結成結晶。實驗結果也符合 KAUST 科學家的期待,在最佳化杯子高度與底部弧度後,新型設備已經不太容易被結晶堵住了,可回收近 100% 鹽分,且即使運作多天也不太需要維護。

(Source:Environmental Science & Technology

目前團隊也已打造出 3D 杯型太陽能蒸餾器,能有效分離吸光表面跟鹽分沉積區域,性能也大幅超越過去的 2D 薄膜,一來它可以在 25wt% 高鹽分濃度下運作(=100 克鹽水中鹽分含量為 25 克),運作 120 小時效率也無明顯衰退,除了應用在太陽能海水淡化技術,也對高鹽分廢水、鹵水處理大有裨益。

(首圖來源:Flickr/Jennifer C. CC BY 2.0)

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