科学家研发了一种太阳能海水淡化系统，能将海水转化为饮用水，且不产生对环境有害的卤水。特制的激光纹理金属板利用阳光蒸发水分，同时自动将盐沉积物移离工作表面，从而防止堵塞。该工艺已利用来自三大洋的水样成功通过了测试，并能以固体形式回收几乎所有的盐分。这些剩余材料甚至可作为电池用高价值锂元素的来源。
传统的海水淡化方法，如反渗透和热蒸馏，可能成本高昂且能源密集。它们通常需要在水处理前后进行化学处理，并产生大量被称为卤水的浓缩盐水。当卤水被排放回海洋时，会通过增加盐度和降低氧气水平来破坏海洋生态系统。
罗切斯特大学的研究人员开发了一种新方法，可以解决其中的若干挑战。他们的太阳能海水淡化系统能高效生产淡水，无需化学预处理即可运行，并且避免了产生卤水废料。该研究由罗切斯特大学激光能量学实验室资深科学家、光学与物理学教授郭春雷领导。该团队在《光：科学与应用》期刊上描述了这项技术。
激光处理太阳能板驱动该过程
该系统依赖于由黑色金属制成的特殊工程太阳能板，这种金属表面经过飞秒激光纹理化处理。这种处理赋予表面两个重要特性。它几乎能吸收所有入射阳光，并对水有极强的吸引力，这种特性被称为超浸润。
激光图案化的活性区域将一层薄薄的海水吸过面板。随着阳光被吸收，水蒸发并蒸馏成淡水。同时，溶解的盐和矿物质被引导离开活性区域，沉积在面板上未经处理的部分，即被动区域。
通过将盐分移出蒸发区，该设计防止了可能干扰连续运行的积聚现象。
利用咖啡环效应防止堵塞
郭指出，几项太阳能热淡化技术在使用仅由水和氯化钠组成的简化海水的实验室研究中显示了有希望的结果。
在这些实验中，随着水的蒸发，氯化钠晶体形成疏松多孔的结构。水可以继续流经这些晶体，将其溶解，使得系统相对容易清洗。
真实的海水要复杂得多。
除了氯化钠，海洋中还含有许多其他溶解矿物质。含镁和钙的物质在结晶时通常会形成坚硬、致密的硬壳。这些沉积物会阻断水流，最终导致海水淡化过程停止。
这个问题类似于茶壶内部积聚水垢或淋浴喷头随时间推移被堵塞的情况，不同之处在于海水含有浓度高得多的溶解盐。
为了克服这一挑战，罗切斯特团队在黑色金属表面精心设计了微观沟槽。这种图案促使盐和矿物质在积聚之前移离活性区域。
研究人员还利用了一种被称为咖啡环效应的常见物理现象。
“如果你把咖啡滴在表面上，最终水会蒸发，外缘会留下一个环，那就是浓缩的咖啡颗粒，”郭说，“我们利用同样的原理将盐分推进到被动区域。”
当团队使用从太平洋、大西洋和印度洋收集的水样测试该技术时，表面有效地实现了自清洁。淡水被持续提取，而盐分被引导至被动区域，随后可以在不降低性能的情况下被收集。
回收有价值的矿物质而非制造废料
该系统最显著的优势之一在于残留盐分的去向。
传统的海水淡化会产生液态卤水，必须经过处理、处置或排放到环境中。而新工艺则以固体形式回收几乎所有的溶解盐。
这些回收的材料可能成为宝贵的资源。除了生产食盐外，该工艺还有助于提取锂等重要矿物质，锂是用于电动汽车和许多消费电子产品中的锂离子电池的关键成分。
在发表在《材料化学杂志A》上的一项相关研究中，郭及其同事证明，同样的超浸润太阳能板也可以将锂与其他盐分分离。
为了实现这一点，研究人员将钛酸氢纳米粒子嵌入黑色金属表面的微观沟槽中。这些粒子选择性地将锂与其他溶解矿物质分离。
“从能源和环境的角度来看，从地球上开采锂已被证明是非常繁重的，因此直接从盐水中提取锂可能是未来一条非常重要的途径，”郭说。
使用来自犹他州大盐湖的水，团队成功回收了淡化后残留盐分中约50%的锂。
大规模淡水生产的潜力
尽管该技术目前仅在概念验证装置中得到演示，但郭相信该方法可以大幅扩展。
如果成功扩大规模，该系统将有助于增加清洁饮用水的获取途径，同时创造更可持续的关键矿物来源。
该研究得到了美国国家科学基金会、比尔及梅琳达·盖茨基金会和世界大学联盟的支持。光学研究所的其他贡献者包括资深科学家苏巴什·辛格、24届博士校友魏然、博士生唐路恒和徐天舒，以及马明江。