韩国研发超高效太阳能蒸馏器
韩国蔚山科学技术院（UNIST）的研究团队研发出一种太阳能海水淡化装置。据称，在一个标准太阳光照强度下，该装置的蒸发速率达到每平方米每小时3.4升。原型设备利用阳光和一种名为La0.7Sr0.3MnO3的先进光热材料，将海水转化为饮用水，无需任何外接电力。该装置还解决了太阳能海水淡化面临的棘手难题之一：盐分在蒸发器表面堆积，遮挡光线并降低性能。系统将溶解盐分从高温中心引向边缘，使设备能够长时间持续工作，同时产生可冷凝为液体的洁净水蒸气。
这项研究由蔚山科学技术院能源与化学工程学院的张智贤教授带领，发表于《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）。研究将简易的纸质吸水结构与高效光热表面结合起来。在耐久性测试中，设备在含盐量达20%的盐水中稳定运行了两周，远高于普通海水3.5%的盐度。研究团队表示，同一设计还可用于资源回收，例如在边缘结晶并收集盐分，而不是将浓缩盐水排回海洋。
随着更多地区面临水资源压力，人们对被动式太阳能海水淡化的关注日益升高。数十亿人无法稳定获得安全管理的饮用水，而沿海社区往往依赖柴油驱动的反渗透工厂；这类设施运行成本高，还会产生大量盐水。只需阳光、维护需求低且无需接入电网的模块化系统，或可为偏远村庄、岛屿、农场和灾后救援行动填补关键缺口。蔚山科学技术院的设备正是针对这一需求而设计，以简单材料、巧妙结构和阳光替代高通量工厂基础设施。
设备的工作原理
蔚山科学技术院的设计采用独特的倒L形蒸发器，以吸水纸为主体。纸张像石蕊试纸一样，通过毛细作用将海水向上吸引。垂直部分的顶部设有一层由La0.7Sr0.3MnO3制成的光热层，用于吸收光线。这种钙钛矿氧化物能高效地将入射阳光转化为热量。海水到达高温表面后迅速蒸发，盐分则留在原处。随后，水蒸气流向较冷的表面，在那里冷凝并被收集为液态淡水。
其一项关键特点是流动方向。研究团队设计了穿过高温表面的单向流动，使盐分形成浓度梯度。溶解离子向边缘附近水活度较低的区域迁移，并在那里结晶成固体盐，不会遮挡光线。这种自清洁效应让中心光热区域持续接受阳光照射，同时将盐分收集在边缘，便于清除或再利用。设备依靠自身结构和流道发挥主要作用，减少了对水泵、膜组件或频繁人工清洁的需求。
La0.7Sr0.3MnO3材料的优势
该设备的核心材料是La0.7Sr0.3MnO3，通常简称为LSMO。它属于钙钛矿氧化物，这类材料以光学和电学性质可调而闻名。常见于太阳能电池的卤化物钙钛矿以铅为基础，而LSMO由镧、锶和锰组成，不依赖易挥发或有毒的铅。因此，在稳定性和环境安全至关重要的水处理应用中，它颇具吸引力。
LSMO能有效进行光热转换，原因在于它在阳光照射下对受激电荷载流子的处理方式。简单来说，这种材料会在其电子结构中形成陷阱态。光线将电子激发至更高能态时，许多电子会在不发光的情况下复合，而是直接将能量释放为热量。这种非辐射过程通常称为热弛豫，能将很大比例的入射太阳能转化为表面局部热量。高效释热可迅速升温，在相同阳光照射下推动水更快蒸发。
解决盐分问题
盐垢长期以来一直制约着太阳能海水淡化。水分蒸发时，溶解盐分逐渐浓缩，最终在高温表面结晶。晶体会散射光线并阻碍热传递，导致蒸发速率大幅下降。许多早期系统运行数小时后表现良好，但随后需要清洁，或必须暂停运行以冲走盐分。蔚山科学技术院团队通过结构设计和流动控制应对这一难题，而非依赖复杂涂层或活动部件。
倒L形结构和单向流动形成稳定的盐分梯度，将离子推离光照最强的高温区域。晶体在边缘成核并生长，便于收集。实验室测试显示，即使在总溶解盐含量达20%的高盐溶液中，设备仍连续两周保持性能。这个盐度与工业流程排出的盐水相当，远高于开放海域海水的盐度，表明该装置用于实际海水处理时具有较大余量，也可能用于盐水浓缩和资源回收。
如何看待性能数据
据报告，该设备在一个标准太阳光照强度下的蒸发速率为每平方米每小时3.40千克。“一个太阳”指每平方米约1千瓦的标准测试光照强度。类似测试中，许多被动式太阳能蒸馏器每平方米每小时的产量约为0.3至0.4千克，因此蔚山科学技术院的原型设备速度快了8至10倍。实际日供水量取决于全天当地的日照情况，以及将水蒸气重新转化为液体的冷凝器效率。在数小时强烈日照下，按报告速率运行的一平方米模块每天可产出数十升水。多个模块组成阵列后，产量还可进一步扩大。
需要区分蒸发速率和最终产出的饮用水量。实验室数据衡量的是每小时有多少质量的水从高温表面以蒸气形式离开。实际系统必须将几乎所有水蒸气收集并冷凝到洁净储水容器中，同时尽量减少热损失。良好的冷凝器设计、隔热和潜热回收，可使整个系统的产水量更接近蒸发器的产量。蔚山科学技术院团队还指出，设备的抗污特性是产水稳定的重要因素，因为洁净的光热表面能长期保持吸光和产热能力。
与传统海水淡化方式相比
反渗透是现代海水淡化的主流技术。它以高压迫使海水通过精细膜，向城市和工业提供大量淡水。但这种性能也伴随着代价。反渗透每生产一立方米水要消耗数千瓦时电力，需要预处理以保护膜组件，还会排出必须妥善管理的浓缩盐水。此类工厂资本投入大，通常需要接入电网或配备专用电源。
蔚山科学技术院的被动式太阳能蒸发器无需高压、水泵和大量电力。它单位时间、单位面积的产水量较低，但能够离网安静运行，维护也更简单。将盐分结晶引导至边缘的能力还可减少盐水排放量。在气候适宜的地区，模块化蒸发器阵列可为家庭、诊所或农场供水，规模更大的设施则可满足社区需求。对于城市而言，太阳能蒸发更可能补充而非取代高通量工厂，成为有韧性的备用方案，或服务于电网边缘的偏远社区。
应用场景与部署方式
该设备面向电网供电有限、维护人员稀缺的场景。岛屿社区、渔村和沿海农场都符合这一特点。风暴、地震或冲突导致供水基础设施瘫痪后的救援行动也适用。该团队的设计采用模块化结构，可按小规模需求部署单块面板，也可通过组合多个模块满足更大需求。设备噪声低且没有高压部件，也适用于重视可靠性和安全性的学校与诊所。
由于该设计会将盐分推向边缘，系统还可用于资源回收。运营方无需排放浓缩液态盐水，而是可以收集干盐及其他结晶矿物。这有助于降低环境影响，并创造小规模收入来源。研究团队提出，未来可将多个倒L形蒸发器组合成更大型模块，便于在现场安装和维护。
扩大规模面临的工程挑战
从实验室原型走向实地设备，需要仔细考虑材料、制造工艺和热管理。蒸发器的纸芯需要经受数月反复干湿循环、海洋生物污损和紫外线照射。光热表面必须尽可能长久地保持吸光和热转换能力。LSMO是一种热稳定性较好的钙钛矿氧化物，这一点有利于实际应用。生产方法也会影响成本。能够在低温下均匀涂覆大面积基材的工艺，有助于降低成本并提高产品一致性。
冷凝和热回收是系统效率的关键。每千克水蒸气都携带大量潜热。如果将水蒸气冷凝在与进入系统的海水共享热量的表面上，就能回收这部分能量，提高总产量。外壳应尽量减少热量损失和蒸气泄漏，同时便于清洁。灰尘、飞沫和盐晶体都需要通过简单的清洁流程加以处理。团队在极高盐度条件下进行的耐久性测试结果令人鼓舞，但在沿海环境中开展为期数月的试验，才能验证设备的长期可靠性和维护需求。与援助组织和地方公用事业单位合作，有助于开展这些试验，并根据不同气候条件调整设计。
气候与可持续性考量
对于离网地点，太阳能海水淡化具有明显的气候优势。它以阳光替代电力，避免柴油发电机消耗燃料并产生排放。不过，从镧和锶的开采到吸收层和外壳的制造，全生命周期影响仍需考虑。采用耐用材料和简单组装方式可延长设备使用寿命，让生产过程中的隐含碳排放分摊到多年服务中。无需高压水泵既能降低能耗，也能减少噪声，这对沿海社区和野生动物都有好处。
与传统工厂相比，这类设备产生的废弃物流也有所不同。蔚山科学技术院的方案将盐分结晶在边缘，有助于减少向近岸水域排放浓缩盐水。在可行的情况下，收集到的盐可用于工业流程，或安全地送回盐田。这与推动海水淡化更好地兼容海洋生态系统，以及实现全球发展目标中清洁饮水和卫生设施目标的努力相契合。随着气候变化带来更严重的干旱和热浪，能够以极少能耗将丰富海水转化为安全饮用水的实用技术，将成为许多地方适应计划的一部分。
要点速览
- 蔚山科学技术院研究人员研发了一种无需电力的太阳能海水淡化设备，据称在一个标准太阳光照强度下，每平方米每小时产水3.40千克。
- 该设计采用纸芯和倒L形结构，将海水输送至光热表面。
- 光热层由La0.7Sr0.3MnO3制成，这是一种通过非辐射复合将阳光转化为热量的钙钛矿氧化物。
- 单向流动将盐分推向边缘，减少高温中心结垢和光线遮挡。
- 耐久性测试显示，设备在含盐量为20%的溶液中稳定运行两周，盐度高于普通海水。
- 普通被动式太阳能蒸馏器的产量通常为每平方米每小时0.3至0.4千克，因此该设备报告的速率约为其8至10倍。
- 这一方案支持收盐，与许多传统方法相比可减少液态盐水排放。
- 模块阵列可为村庄、诊所、岛屿和灾后救援行动提供离网供水。
- 这项研究发表于《先进能源材料》，由张智贤教授带领，第一作者为绍拉夫·乔勒博士。
- 实地试验、冷凝器设计和可规模化制造将决定实际产水量和成本。
