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海水淡化大冒險：光熱織物引領海水淡化大冒險

文章來源：賢集網更新時間：2025-03-03 14:33:18

全球水資源中，海水占比高達96%，如何將其轉化為可用淡水，是亟待解決的關鍵課題。傳統海水淡化技術依賴化石燃料和電力，成本高昂且帶來環境問題。太陽能驅動的海水淡化技術成為理想選擇，其關鍵在于制備光熱轉換薄膜。

東華大學朱美芳院士、陳志鋼教授團隊在《材料科學進展》發表綜述文章，提出光熱織物方案。陳志鋼團隊研究光熱材料和功能纖維，合成新型光熱納米材料，開發光熱轉換凝膠和光熱織物。光熱織物粗糙紋理表面有助于多次吸收陽光，提高光熱轉化效率；復雜纖維結構帶來高比表面積，增強水與空氣接觸界面；協同優化的親水性和毛細作用，確保海水持續供應；高度柔性可適配多種蒸發器結構，且成本低、可規模化生產。

在制備技術上，團隊采用表面改性、高溫碳化、靜電紡絲、氣噴紡絲和結構編織等方法。表面改性增強光吸收能力，靜電紡絲制備高比表面積納米纖維結構提升蒸發效率。在蒸發器設計方面，團隊設計多種結構，如漂浮型、翻轉型等。最新的織物基懸掛式非接觸蒸發裝置有低熱損失、雙面蒸發、不析鹽、可長期持續運行的優點。

海水通過毛細作用和重力滲入織物并流動，大部分在上、下雙表面光熱蒸發，提升蒸發速率，剩余濃縮海水滴落帶走鹽分，實現長時間穩定運行。

目前，通過優化蒸發器結構，太陽能蒸發系統效率已突破90%，為淡水資源開發提供顛覆性解決方案。除海水淡化，光熱織物還可用于催化、發電以及鹽漬土修復等領域。不過，光熱織物產業化面臨降低成本、提高規模化生產效率和優化長期使用性能等挑戰，團隊正積極探索解決方案。

一、主流海水淡化技術全景掃描

（一）反滲透技術：高效節能的主流之選

反滲透是廣泛應用的海水淡化技術，利用半透膜阻止鹽分和雜質，施加壓力使水分子通過膜達到淡化目的。其系統包括預處理、反滲透及后處理三部分。預處理去除大顆粒物質防膜堵塞，反滲透去除鹽分，后處理保證淡水質量。反滲透技術水回收率高，可達60%-90%，能有效去除溶解鹽、細菌及有機物，產出淡水符合飲用水標準。

與蒸餾法相比，能耗更低，運行主要耗能在提供壓力。現代反滲透膜技術進步，結合可再生能源，經濟性進一步提升。且維護操作簡單，有自動化控制系統，在偏遠地區及發展中國家應用可行。但該技術存在膜污染和老化、能耗較高、廢水排放等問題，目前研究者探索新型膜材料及優化操作流程以提升其經濟性和可持續性。

（二）多級閃蒸技術：高效穩定的大規模生產方案

多級閃蒸通過多級壓力降低，讓海水在不同溫度和壓力下連續蒸發提取淡水。海水加熱后進入多個閃蒸室，壓力降低使水分子蒸發成蒸汽，冷凝形成淡水。該技術能量利用效率高，在較低溫度多次蒸發，降低能耗，高溫高壓下熱交換效率高，淡水產量大。適應性強，能處理高鹽分海水，穩定產出符合標準的淡水，在干旱和半干旱地區應用普遍。

適合大規模生產，可模塊化設計，便于擴展升級。運行穩定，減少易損部件使用頻率，降低維護成本，精確控制參數可避免故障和停機。未來，該技術將在降低成本、提高熱效率、探索環保排鹽和處理方式以及結合可再生能源等方面不斷優化。

（三）太陽能蒸餾技術：清潔可再生的新興力量

太陽能蒸餾是新興的可再生能源驅動蒸餾方式，借助太陽能加熱水體，利用溫差蒸發實現淡化。其利用太陽能，清潔可再生，減少對化石燃料依賴，降低碳排放，在太陽能豐富地區可高效轉換水資源，能耗低，適合發展中國家及偏遠、電力基礎設施薄弱地區。過程簡單易操作，設備包括蒸發器和冷凝器等，投資和維護成本低，還能與不同材料和結構結合適應不同環境需求。

但該技術生產效率受太陽輻射強度、天氣條件及設備設計影響，陰雨天氣或夜間淡水生產能力下降，需考慮儲水及備用能源。海水鹽分和雜質會腐蝕設備，蒸發器底部會積累鹽分結晶，增加清理難度。當前生產淡水成本較高，通過技術創新與規模化生產降低成本是普及關鍵。

（四）電滲析技術：電場驅動的創新之法

電滲析技術利用電場原理，通過選擇性膜將正負離子分開，利用電場驅動力加速離子移動達到脫鹽效果。能耗相對較低，在低鹽濃度水源淡化中表現出色，主要依靠電能驅動離子遷移，在低鹽濃度和高水流量條件下高效水處理。能有效分離不同類型離子，不僅可用于海水淡化，還能回收水中有價值礦物質和重金屬離子。

系統模塊化設計，易于擴展和維護，可通過增設電滲析堆調整處理能力。不過，其應用不如反滲透和蒸餾廣泛，選擇性膜耐用性和材料成本需改進，還需嚴格管理電源保證穩定工作狀態。隨著材料科學和電化學技術發展，性能將進一步提升。

（五）低溫多效法：低能耗的新興技術

低溫多效法結合多效蒸餾原理與低溫操作優勢，降低操作溫度，利用低等級熱源，如廢熱或可再生能源，實現海水蒸發和凝結，能耗顯著低于傳統多效蒸餾技術。能效比值可達10以上，低能耗使其在能源價格上漲和環境政策嚴格背景下具備競爭力，低溫操作減少設備材料腐蝕，延長使用壽命。在中東、北非等干旱地區已廣泛應用，推動當地水資源可持續發展。但推廣面臨成本控制與規模化應用挑戰，科研機構和企業正探索其適應性與應用前景。

（六）冷凍法：嶄露頭角的新型技術

冷凍法通過降低海水溫度至凍結點，使冰晶排除鹽分形成淡水，融化后可得不含鹽分的水。能耗較低，可適用于各種水質。從工業分離角度看，分離系數高，能耗低，低溫運行對生物污染、結垢和腐蝕問題不敏感，無需預處理且較少使用化學藥品，不向環境排放有毒化學物質。但該技術需開發高效冷卻設備以及冰的分離與收集技術。隨著對水資源問題重視，借助清潔能源技術進步，有望在缺水地區實現大規模應用。

二、全球海水淡化應用現狀與挑戰

海水淡化技術在全球得到廣泛應用，過去50年間，全球海水淡化能力增長50多倍，為1.5億至2億人提供飲用水。全球約有16000家海水淡化廠，分布在177個國家，每天可產生9500萬立方米淡水。中東、歐洲、澳大利亞等地都有海水淡化廠分布。

海水淡化廠建設和運營成本受多種因素影響，如設備采購、土地租賃、技術、能源成本等。能耗是決定成本關鍵，過去40年隨著技術進步能耗降低約90%，規模越大、技術越先進，成本相對越低。海水淡化廠危害海洋生物，排放高鹽度鹽水導致海洋酸化，內陸海水淡化廠管理有毒污泥儲存困難。

目前有零液體排放系統、創新鹽水擴散技術、基于生物的預處理工藝等輔助方案來應對危害。預計20年內全球淡水需求量將超出供應量30%以上，膜和能源費用下降將使更多社區使用海水淡化技術，聯合國環境規劃署預計到2030年海水淡化產量將再次指數級增長。

海水淡化技術不斷發展，光熱織物等創新性方案以及各類主流技術都在為解決全球水資源危機貢獻力量。未來，隨著技術的持續創新和完善，海水淡化有望在全球水資源可持續利用中發揮更為關鍵的作用。

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來源：賢集網
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