台灣過濾與分離學會電子報2024年第23期

研究新知

◎新型太陽能海水淡化系統可以生產比自來水便宜的淡水

        據估計，三分之二的人類受到水資源短缺的影響，而發展中國家的許多此類地區也面臨缺乏可靠電力的問題。因此，廣泛的研究工作集中在僅利用太陽能熱淡化海水或苦鹹水的方法。然而，許多此類努力都遇到了因鹽積聚而導致設備結垢的問題，這通常會增加複雜性和成本。

        美國麻省理工學院（MIT）機械工程系Evelyn Wang教授團隊與中國上海交通大學的工程師共同開發了一種全新的太陽能海水淡化系統。該系統利用自然陽光加熱鹽水，生成比自來水成本更低的淡水。根據研究人員的說法，這種設計還避免了其他系統中常見的鹽堵塞問題。

        該裝置的配置使水能以漩渦形式循環，類似於海洋中的大型“熱鹽環流”。這種循環結合太陽熱量，驅使水蒸發並留下鹽分。生成的水蒸氣隨後被冷凝並收集為純淨可飲用的水。同時，殘餘的鹽分繼續在系統中循環並排出，避免積聚導致系統堵塞。

        正如熱空氣上升和冷空氣下降一樣，自然對流驅動該裝置中的海水淡化過程。在頂部附近的承壓水層中，「蒸發發生在最頂部界面。由於鹽的存在，最頂部界面的水密度較高，而底部水的密度較低。因此，這是這種自然對流的原始驅動力，因為頂部的較高密度會驅使鹹味液體下降。從系統頂部蒸發的水可以收集在冷凝表面上，提供純淨的淡水。

太陽能海水淡化系統，傾斜的10組原型安裝在「船形」儲水槽中。

        MIT的研究人員表示，新系統的產水率和排鹽效率高於目前測試中的任何被動式太陽能海水淡化技術。如果將系統擴展到一個小型手提箱大小，每小時可生產約4至6升飲用水，並能在數年內無需更換零件。在這種規模和性能下，該系統的飲用水生產速度和成本均低於自來水。

系統核心設計

        該裝置的核心是一個單級結構，外觀類似於一個薄盒子，上方覆蓋著一層能高效吸收太陽熱量的暗色材料。盒子內部分為上下兩部分：水流經上半部分，其天花板上覆蓋著一層蒸發層，利用太陽熱量加熱並蒸發直接接觸的水分。水蒸氣隨後被引導到盒子的下半部分，在那裡冷凝層通過空氣冷卻將蒸氣轉化為無鹽的飲用水。

        研究人員將整個盒子以傾斜方式放置在一個較大的空容器內，並將一根管道從盒子上半部分連接到容器底部。容器漂浮在鹽水中，鹽水可自然通過管道流入盒子內部。由於盒子傾斜的設計結合太陽的熱能，水流在流經時會形成漩渦。這些小型漩渦幫助水與上部蒸發層接觸，同時保持鹽分流動，避免鹽分沉積導致系統堵塞。

無燈芯系統（wick-free system）克服傳統燈芯容易積聚鹽分問題。

系統放大與商業化

        MIT設備研究實驗室的研究科學家Lenan Zhang表示，這款海水淡化裝置採用了模組化設計，分層組裝，不需要電力和活動部件。此外，關鍵組件材料（包括太陽能吸收層、膜和冷凝器）在市面上均容易取得，這些特性有助於透過生產線輕鬆將系統放大。

        目前，MIT和上海交通大學的研究人員正在實驗室進行測試，以進一步提高該裝置的產水率和可靠性。推動商業化的工作由MIT研究生Yang Zhong帶領一家新創公司負責推動。他們將裝置放置在中國和美國的多個地點，測試在真實天氣條件下的表現。結果顯示，在不同的溫度、鹽度和太陽輻射條件下，裝置能穩定產水且可靠地運行。”

在自然陽光下對該原型進行戶外測試。

展望未來

        這項技術的未來發展方向之一是實現零液體排放（ZLD）。雖然此方法能以高效率和低成本生產乾淨的水，但淡化過程中產生的高鹽濃鹵水被排回海洋，可能對環境和可持續性造成顯著影響。該研究團隊的下一步是開發並整合一個太陽能驅動的ZLD裝置，與現有的太陽能淡化技術結合，實現從陽光和海水中全面可持續地生產乾淨水。

資料來源：

1.Helen Norman, Fresh approaches, Filtration+Separation, October 2024, 25.

2.Jennifer Chu, Desalination system could produce freshwater that is cheaper than tap water, MIT News, September 27, 2023. https://news.mit.edu/2023/desalination-system-could-produce-freshwater-cheaper-0927

3.David L. Chandler, Solar-powered system offers a route to inexpensive desalination, MIT News, February 14, 2022. https://news.mit.edu/2022/solar-desalination-system-inexpensive-0214

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