預計到2025年，全球將有三分之二的人口面臨獲取淡水的問題，而把海水和地下水中的鹽分和污染物去除，是緩解人類淡水危機的方法之一。

然而，目前大型海水淡化廠的建設成本高達數百萬美元。這類工廠大都使用了反滲透技術，這是一道需要施壓讓海水擠過反滲透膜的技術，所需的電力成本幾乎占到了整個工廠開支的一半。這道工序還會產生一種含有有害化學物的濃鹽水，可能危害當地的生態系統。此外，反滲透工廠通常需要利用化石燃料供能，這會產生大量的碳排放。盡管各國的工程師已經開始采取行動（特別是在亞洲和非洲地區）用太陽能電池板替代化石燃料，但是這么做并不能解決有毒物質的排放問題，甚至會產生額外的成本。

為此，研究人員正在嘗試以更直接的方式利用太陽能。其中最簡單的方式是利用蒸發作用，蒸出淡水，留下鹽和污染物。數百年來，人類一直都在使用這種被稱為太陽能蒸餾的技術。沙特阿拉伯目前正在建造一面巨大的反射鏡，這個裝置會將太陽光聚集到一個足球場大小的鋼制玻璃穹頂上，匯聚后的熱量可以使其中的海水蒸發。

為了讓這個過程變得更便宜、簡單、便攜，從而讓高質量的海水淡化技術在全世界廣泛應用，研究人員也在嘗試使用新的材料和設計。娜奧米·哈拉斯（Naomi Halas）是美國萊斯大學的電氣與計算機工程師，她說：“發展中國家對淡水資源需求量巨大，太陽能熱技術不僅可以降低海水淡化過程對能源的需求，還可以在遠離電網的偏遠地區使用。”

由美國能源部主辦的太陽能海水淡化獎（Solar Desalination Prize）即將宣布半決賽人選，這場比賽的目標是開發出能以1.5美元的成本生產1000升可用水的系統。萊斯大學的土木與環境工程師李琪琳說：“現在沒有任何技術能以如此低成本處理高濃度鹽水。”

美國能源部可再生能源實驗室的克雷格·圖爾希（Craig Turchi）表示，太陽能系統可以克服反滲透技術的一大缺點。因為反滲透技術一般只能淡化輸入量一半左右的水資源，剩下的鹽分會逐漸富集堵塞反滲透膜。這種有毒的副產品被稱為鹵水，通常會被傾倒進海洋，或者注入地下。而太陽能淡化系統可以凈化海水含鹽量兩倍以上的鹽水。美國能源部發言人梅根·休斯（Meghan Hughes）表示，這個標準將涵蓋來自反滲透工廠的鹽水和美國西南等地的地下鹽水，以及一些反滲透技術無法處理的農業和工業廢水。他說：“一般而言，只有熱驅動技術，也就是我們正在開發的一些技術，才能處理這些高濃度鹽水。”

哈拉斯和李琪琳已經制造出了一種太陽能海水淡化裝置，裝置上有一張多孔的塑料膜，可以讓水蒸氣通過同時阻攔其他物質。薄膜的一側覆蓋著微小的碳顆粒，可以吸收太陽光的熱量，使與它接觸的鹽水更容易蒸發。通過薄膜后水蒸氣會在另一側凝結成淡水。最近，哈拉斯的研究團隊在薄膜上引入了塑料透鏡，太陽光的聚集性更好，產生的熱量也更多，這使系統的效率提高了50%。

研究團隊的計算結果表明，他們有望在幾年內達到美國能源部的成本目標，也就是在一平米大小的裝置里，每小時處理出20升的淡水。哈拉斯說：“我們現在更像是處于福特的T型車階段，而不是跑車階段。但這已經足以激發從事商業開發的機構的興趣了。”

戴維·亞希波（David Jassby）是美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的土木與環境工程師，他的團隊使用了類似的方法將導熱材料整合到薄膜中。在薄膜下方，研究人員添加了一張能被太陽光加熱的細鋁網。他說：“這樣就可以把薄膜卷成螺旋狀的模塊，不必大面積地直接暴露在太陽光下。”在屋頂測試中，每平米薄膜每小時可以處理出9升淡水。

這樣的系統適用于亞洲和非洲遠離電網的村莊，美國西南部地下水鹽度較高的區域，以及任何需要緊急使用淡水的環境。但麻省理工學院機械工程師伊夫琳·王（Evelyn Wang）實驗室的研究生張樂楠（Lenan Zhang，音譯）表示，這項技術還需要加快研究步伐，以更有效的方式讓太陽能轉化出水蒸汽。

張樂楠表示，伊夫琳·王的團隊“會不斷重復利用能源”提高轉化效率。他們研發的設備包括10個尼龍結構，每個結構都有一片黑色的太陽能吸收層、一層紙巾和一張鋁膜。在加熱過程中，黑色吸收層將紙巾中的鹽水蒸發，蒸汽凝結在鋁膜上。水蒸氣冷凝放熱，熱量傳遞到下一層紙巾協助蒸發，而不是白白流失。張樂楠表示，價值100美元的裝置每小時可以處理出6升淡水。如果使用更復雜的材料和設計，效率還有可能提高一倍。

另一種有趣的方法利用了加濕的過程，可以使干燥的空氣通過鹽水噴霧實現提純。俄勒岡州立大學機械工程師巴赫曼·阿巴西（Bahman Abbasi）說：“空氣會吸收水分，但不會吸收固體鹽分。”他設計的系統利用太陽能加熱、壓縮鹽水和空氣的混合物，并從噴嘴高速射出。這個過程會產生一個漩渦，當空氣上升冷凝時，鹽分等固體就會被推到設備的另一個壁面上。實驗表明，這種背包大小的裝置可凈化含鹽度達到海水3倍的鹽水，每小時能生產約20升淡水。

這些成本相對低廉的技術都可以為便攜式凈水器或離網應用打開新的市場。圖爾希表示，相關技術最終也有可能打造出大規模的太陽能凈水系統，為城市提供飲用水。目前，這些技術“將作為反滲透技術的補充，在反滲透技術難以發揮的一些場景展現自身的價值。

撰文 | 普拉杰·帕特勒（Prachi Patel）

翻譯 | 巢栩嘉

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