世界上有十多個國家的一百多個科研機構(gòu)在進(jìn)行著海水淡化的研究，有數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)和不同容量的海水淡化設(shè)施在工作。一座現(xiàn)代化的大型海水淡化廠，每天可以生產(chǎn)幾千、幾萬甚至近百萬噸淡水。以下就全球海水淡化前沿技術(shù)做一簡單匯總。
水資源缺乏帶動了全球海水淡化市場的快速發(fā)展，海水淡化技術(shù)不斷更新，將海水資源充分利用，下面看看全球有哪些海水淡化前沿技術(shù)？
美國研發(fā)出可大幅提高海淡效率的二硫化鉬薄膜
美國伊利諾伊州立大學(xué)研究人員2015年在《自然通訊》雜志上發(fā)表論文稱，他們發(fā)現(xiàn)二硫化鉬高能材料可更高效地去除海水中的鹽分，通過計算機模擬各種薄膜的海水淡化效率并進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，二硫化鉬薄膜的效率最高，比石墨烯膜還要高出70%。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，這種材料只有一個納米厚，布滿了納米孔，能夠滲漏大量的海水，留下鹽分和其他成分，達(dá)到淡化海水的目的。獨特的原子組成結(jié)構(gòu)讓二硫化鉬膜的透水性大大提升，其單層膜的厚度能極大地減少推壓水的能量，進(jìn)而大幅降低運營成本。研究人員目前正在測試這種材料在海水凈化方面的其他性能，比如對于塑料膜而言常發(fā)生的污垢堵塞孔洞等問題。二硫化鉬雖然是一種新材料，但研究人員相信，制造工藝改造后，其高性能帶來的應(yīng)用會很廣泛。
該研究論文第一作者、伊利諾伊州立大學(xué)貝克曼先進(jìn)科技研究院的機械科學(xué)與工程學(xué)教授那拉亞娜˙阿魯魯說：“這項研究為下一代材料的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。”
美國富翁研發(fā)創(chuàng)新海水淡化解決方案
因為創(chuàng)造5-HourEnergy品牌能量飲料而大獲成功，目前身價被評估高達(dá)40億美元的ManojBhargava從加州旱災(zāi)中看到了商機。已年滿60歲ManojBhargava認(rèn)為，水將是世界上下一個熱門的商品。在過去幾年里，這位低調(diào)的CEO開始了新的冒險，他悄悄地把他此前掙得的大部分財富通過他自己設(shè)立的投資基金投入了他人生中第二次重要的創(chuàng)新解決方案。ManojBhargava的海水淡化解決方案名為RainMaker，事實上就是安裝于平板卡車上的海水淡化裝置，可以依靠傳統(tǒng)電力把海水蒸餾變成淡水。據(jù)了解，一個單獨的RainMaker裝置可以放置在一個城鎮(zhèn)污水廠中。但在危機時，可以將數(shù)百臺RainMaker裝置堆疊在一個大型海洋貨船中用于淡化海水。在沿海建設(shè)大型海水淡化設(shè)施通常需要花費數(shù)十億美元，同時還需要消耗大量的能量。利用這種可以規(guī)模化生產(chǎn)的RainMaker，可以拯救處于災(zāi)難邊緣的加州嗎？一些專家認(rèn)為，發(fā)展RainMaker很有前途。由美國內(nèi)政部管理，位于新墨西哥州的美國海水淡化研究機構(gòu)的管理者也對RainMaker表示了認(rèn)可。據(jù)了解，RainMaker裝置計劃于2016年第一季度正式投入商業(yè)化生產(chǎn)。
GE開發(fā)迷你3D打印渦輪機降低海水淡化成本
2015年，由GE全球研發(fā)中心和美國能源部組成的研究團隊研發(fā)的一種手持式3D打印設(shè)備，有可能使海水淡化變得更為方便。更值得一提的是，他們用的是蒸汽汽輪機的原理。這一概念來自GE科學(xué)家DougHofer和VitaliLissianski的創(chuàng)意。在傳統(tǒng)的蒸汽渦輪機中，蒸汽凝結(jié)就會變成水。盡管這種系統(tǒng)通常用于發(fā)電，但Hofer解釋說，他們還可以運行這個流動系統(tǒng)去凍結(jié)海水或鹽水，而不是把它變成蒸汽。通過凍結(jié)混合物，鹽會以固體的形式自然分離，只留下冰，而冰融化之后就成了干凈的水。
GE全球研發(fā)中心能源系統(tǒng)實驗室的一位項目負(fù)責(zé)人VitaliLissianski說：“通過凍結(jié)海水來淡化并不是什么新鮮事，但我們正在做的方式卻非常不同。我們利用自己在葉輪機械方面的豐富知識開發(fā)了一種十分經(jīng)濟的解決方案。”“你也可以說是我們的渦輪‘增壓’出了一個經(jīng)濟的海水淡化系統(tǒng)。”Lissianski開玩笑地說。Hofer解釋說，通過擴大渦輪機的冷氣來冷卻咸水或海水滴，會大大降低海水淡化所需要的能源。“冷卻的氣體與海水之間的熱傳遞比傳統(tǒng)的熱法海水淡化系統(tǒng)更有效率得多。”如果這個手持的3D打印工具能夠試制成功，它能夠?qū)⒑Ｋ某杀鞠鳒p高達(dá)20%。反過來也將吸引更多的資金被投向海水淡化設(shè)備。為加速開發(fā)過程，研究團隊使用由GE全球研究中心增材制造實驗室和GE航空在辛辛那提的增材制造中心開發(fā)的技術(shù)3D打印出小型化的部件。可能在不久的將來，我們到海灘上玩耍時只需帶上這種手持式的工具就行了，無需再攜帶瓶裝水。
加州大學(xué)研發(fā)出新型外置復(fù)合式拋物面聚光海水淡化系統(tǒng)
2015年，美國加州大學(xué)默塞德分校太陽能技術(shù)研究所的研發(fā)人員開發(fā)出了一種名為XCPC的外置復(fù)合型拋物面形聚光器，該系統(tǒng)有可能為被持續(xù)干旱所困擾的加州帶來一種新型的太陽能海水淡化解決方案，并緩解當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)灌溉水短缺問題。加州大學(xué)太陽能技術(shù)研發(fā)中心主任RolandWinston表示：“常規(guī)的膜法海水淡化過程會產(chǎn)生有用的淡水和大量需要處理的咸水，而XCPC系統(tǒng)可以使水的蒸發(fā)過程更加高效，而且成本很低。”
談到該系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點，RolandWinston表示：“我們的外置復(fù)合拋物面形聚光器可以通過收集陽光產(chǎn)生高溫，而且可達(dá)到的溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生產(chǎn)水蒸汽所需要的溫度。同時很關(guān)鍵的一點是我們的集熱器不需要使用跟蹤系統(tǒng)，沒有任何需要活動的組件。事實上，其它大部分可以獲得如此高溫的太陽能技術(shù)都需要使用跟蹤系統(tǒng)，而且成本較高。”RolandWinston進(jìn)一步解釋道，一般使用跟蹤系統(tǒng)的太陽能集熱器對于直射陽光要求很高，而且往往需要在晴朗的天氣條件下才能運行。而他們的XCPC集熱器則完全不同，在朦朧和多云的天氣條件下依然可以正常運行。
埃及研發(fā)出新型低成本海水淡化膜
2015年9月底，埃及亞歷山大大學(xué)的研究人員公布了一種新型低成本的海水淡化膜技術(shù)，膜材料價格低廉，同時可以實現(xiàn)低能耗。該技術(shù)采用了滲透蒸發(fā)（又稱滲透汽化，是有相變的膜滲透過程）的技術(shù)原理，研究人員開發(fā)出醋酸纖維素膜與其它組件相結(jié)合，并使用外部熱源將膜透過組分汽化，從而達(dá)到過濾粒子和鹽分的目的。這支由亞歷山大大學(xué)農(nóng)業(yè)和生物系統(tǒng)工程副教授AhmedEl-Shafei所帶領(lǐng)的研發(fā)團隊表示，經(jīng)過測試，他們研發(fā)的上述膜系統(tǒng)可以使超高鹽度的模擬海水以非常高的流量通過，同時脫鹽率可以達(dá)到99.7%左右。
論文顯示，在對人工仿造海水進(jìn)行脫鹽淡化的過程中，研究人員采用了直接透過、載氣吹掃法型滲透蒸發(fā)技術(shù)路線。研究人員解釋說，該膜產(chǎn)品采用普通的相變技術(shù)，將多組分溶液利用溶液澆鑄法鑄造而成。澆鑄之后，會對膜進(jìn)行進(jìn)一步處理使其具有親水性和其它屬性。
印度科學(xué)家研發(fā)出新型太陽能混合海水淡化系統(tǒng)
2015年，印度科學(xué)理工學(xué)院的研究人員研發(fā)出了一種太陽能混合海水淡化系統(tǒng)，主要可以用于處理生理鹽水和微咸水。
根據(jù)研究人員發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，在南印度上午9點到下午3點之間、溫度為27℃的條件下，利用該混合系統(tǒng)每平方米可以凈化大約6.5升的鹽水。該混合系統(tǒng)采用了階梯狀的太陽能蒸發(fā)器，由一個連一個的半圓形的管道焊接而成，形成一個呈一定傾斜角度的水槽來充當(dāng)水流通的渠道，同時系統(tǒng)四周安裝的真空夾套可以減少熱能的損失。據(jù)了解，該裝置可容納3-4升待處理的水。該系統(tǒng)利用光伏電池作為能源將水泵進(jìn)或者泵出整個系統(tǒng)，整個系統(tǒng)就在離網(wǎng)地區(qū)也可以實現(xiàn)正常運行。目前，上述技術(shù)的具體工作原理及流程已經(jīng)被國際期刊《InternationalJournalofLowcarbenTechnologies》收錄。
印度女科學(xué)家發(fā)明新型電吸附海水淡化技術(shù)
2015年，印度一位名為DevlinaDas的女科學(xué)家研發(fā)出了一種獨特的、名為“SALINO”的五步法海水淡化技術(shù)，這名CSIR（印度科學(xué)與工業(yè)研究理事會）的高級研究員憑借該技術(shù)在瑞典斯德哥爾摩由勵訊集團（RELXGroup）主辦的2015環(huán)境挑戰(zhàn)活動中獲得了國際大獎。DevlinaDas表示，該發(fā)明的靈感來自于當(dāng)前的水資源利用現(xiàn)狀。“SALINO”海水淡化技術(shù)的全過程由太陽能和電吸附來提供能量。在消耗水量方面，目前正在流行的反滲透技術(shù)比SALINO技術(shù)的消耗水量要高30-40%，所以SALINO技術(shù)可以實現(xiàn)更低的成本和更高的效率。當(dāng)談到其發(fā)明的獨特性時，DevlinaDas表示，目前全球海水淡化項目普遍采用反滲透膜技術(shù)，而這種技術(shù)不但浪費水，同時還浪費了大量能源。她說：“SALINO是一種更加節(jié)能的新方法，同時也不需要建設(shè)任何大型的建筑。DevlinaDas指出，SALINO技術(shù)把社區(qū)定為服務(wù)目標(biāo)，可以為其提供凈化的飲用水。在未來3年，DevlinaDas計劃用獲得的25000美元獎金建設(shè)一個海水淡化示范項目并希望該發(fā)明可以使更多水資源緊缺的地區(qū)獲益。
上海應(yīng)物所取得碳納米管海水淡化技術(shù)新突破
目前，利用碳納米管復(fù)合膜進(jìn)行海水淡化的技術(shù)有了新的突破。從理論上看來，碳納米管似乎非常適合應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域。因為通過此前科學(xué)家們的分子模擬顯示，離子在較窄的碳納米管中遇到較大的能壘而不能通過，而水則沒有遇到這樣的能壘可順利通過，所以科學(xué)家們一直期待可以通過使用較窄的碳納米管制備得到的復(fù)合膜來大大地降低海水淡化成本，從而為人們提供更多的淡水。但事實上，該技術(shù)的除鹽能力一直沒有得到充分的驗證。
中國上海應(yīng)用物理研究所方海平博士等研究人員認(rèn)為他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了為什么碳納米管除鹽能力始終沒有達(dá)到理論水平的秘密，并提出了相應(yīng)的解決辦法。方海平和他參與研究的同事認(rèn)為，該技術(shù)存在的主要問題在于如果碳納米管足夠窄，則水中的鹽分被阻擋不能通過，而這些管道也可能被水中的離子阻塞而導(dǎo)致水也無法通過。他們認(rèn)為，此前對于碳納米管用于海水淡化的模擬對于離子和碳納米管之間的相互作用力描述的并不充分。
通過模擬發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改造的碳納米管的水通過率可以達(dá)到40%左右。另一種思路是，通過向碳納米管施加一個強大的電場可以把離子移位。但方海平和其同事們更喜歡第一種思路，即防止碳納米管被阻塞。方海平解釋說：“這種方法不需要消耗能源，同時也不需要配置大型的設(shè)備來產(chǎn)生強大的電場，可以使海水淡化過程更加方便。”
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