海水淡化技术对于解决全球水资源短缺至关重要，然而目前主流的海水淡化方法存在显著弊端。反渗透技术通过特殊膜分离盐分，而热蒸馏则利用加热将淡水与海水分离。这两种方法不仅能耗巨大，通常还需要进行水处理，并且会产生高浓度的咸水废弃物——卤水。
当这些卤水被排放回海洋时，会增加局部盐度并降低氧气水平，对海洋生物造成有害影响。
太阳能驱动的无卤水淡化新方案
针对这些问题，罗切斯特大学的研究人员开发出一种全新的海水淡化方法，有望同时解决多项挑战。
罗切斯特大学光学研究所的科学家们创建了一个太阳能热淡化系统，旨在高效生产淡水，且不产生液态卤水，也无需化学添加剂对进水进行预处理。这项创新成果已发表在权威期刊《Light: Science & Applications》上。
该研究由罗切斯特大学光学与物理学教授、激光能量学实验室高级科学家郭春雷（Chunlei Guo）领导。
这项技术的核心是经过飞秒激光处理的黑色金属太阳能面板。飞秒是一种极其短暂的时间单位，相当于一千万亿分之一秒。这些超快激光的脉冲能够精确改变材料表面，形成微观结构，从而显著改变其与光和水的相互作用方式。
激光处理使金属在吸收太阳光方面极其高效，同时赋予其超亲水性，这意味着水会在表面迅速铺展而不是形成水珠。
自清洁表面的工作原理
每个面板都包含一个经过激光处理的活性区域，它能将一层极薄的海水吸附到其表面。深色金属几乎吸收所有入射的太阳辐射，加热水并使其蒸发。
蒸发过程会留下盐分和其他溶解矿物质。面板并非让这些物质在蒸发区域积累，而是将其导向两侧未经处理的区域，即被动区域。
这种移动至关重要，因为盐分积聚是太阳能海水淡化系统面临的最大挑战之一。如果矿物质在活性表面形成坚硬的层，它们会阻碍水流，最终导致系统停止工作。
真实海水淡化的复杂性
郭春雷教授指出，以往的太阳能热淡化系统在实验室中使用由水和氯化钠制成的简化人工海水进行实验时表现良好。
当氯化钠随水蒸发结晶时，它倾向于形成相对颗粒状和多孔的结构。水可以继续通过这些晶体移动，有助于溶解累积的盐分，使表面更容易清洁。
然而，真实海水要复杂得多。
除了氯化钠，它还含有镁、钙和许多其他溶解物质。其中一些化合物可以结晶成坚硬、致密的沉积物，孔隙度远低于氯化钠。这类似于淋浴喷头或茶壶中逐渐形成的水垢。然而，在海水淡化系统中，挑战要大得多，因为海水中溶解盐的含量是普通自来水的数百倍。
随着这些沉积物的积累，水无法自由流过表面，从而降低效率并最终堵塞系统。
利用“咖啡环效应”移动盐分
为了克服这一问题，郭春雷团队精心设计了黑色金属上的微观凹槽，使盐分和矿物质能够从活性区域被推开，而不是形成顽固的硬壳。
研究人员还利用了一种熟悉的物理现象，即咖啡环效应。
任何洒过咖啡并观察其干燥过程的人可能都见过这种现象。当水蒸发时，悬浮颗粒会向液滴边缘移动，留下一个深色环。“如果你把咖啡滴在表面上，最终水会蒸发，在外边缘会留下一个由浓缩咖啡颗粒组成的环，”郭春雷教授解释道，“我们利用同样的原理将盐分推向被动区域。”
该系统并非让矿物质在阳光驱动蒸发的区域积聚，而是将其引导到面板的边缘。
研究人员使用从太平洋、大西洋和印度洋收集的真实海水对该技术进行了测试。在这些实验中，表面在产生淡水的同时有效地进行了自清洁，并将剩余的盐分导向被动区域，以便后续收集。
重要的是，这种矿物质堆积并未降低面板的淡化效率。
将淡化废弃物转化为有用材料
这项技术的另一个主要优势在于水去除后盐分的处理方式。
该系统不产生需要处理或排放的浓缩液态卤水，而是以固态形式提取近100%的溶解盐分。
这些材料有可能从废弃物转化为有价值的资源。其中一部分可用作食盐，而更有价值的矿物质也可以被回收。
一个特别重要的目标是锂，它是电动汽车、智能手机、笔记本电脑和许多其他电子设备中锂离子电池的关键材料。
在《Journal of Materials Chemistry A》上发表的一项相关研究中，郭春雷及其同事证明，同样的超亲水太阳能面板可以进行改造，以从海水淡化过程中产生的其他盐分中分离锂。
研究人员将钛酸氢纳米颗粒嵌入黑色金属的微观凹槽中。这些颗粒能够选择性地从盐和矿物质的混合物中分离锂。
“从地球开采锂在能源和环境方面已被证明代价巨大，因此直接从盐水中提取锂可能是一个非常重要的未来途径，”郭春雷教授表示。
从盐水中回收锂
利用大盐湖的样本，该团队成功从淡化后留下的盐分中回收了约50%的锂。
这一结果预示着未来海水淡化设施可能不仅仅生产饮用水。它们还可能回收原本会滞留在废物流中的具有商业价值的材料。
这项技术仍处于早期阶段。目前，研究人员已在概念验证实验中展示了超亲水淡化方法，使用的是相对较小的设备。
然而，郭春雷教授表示，基本设计本身具有可扩展性，最终可能有助于扩大淡水供应，并创造更可持续的有价值矿物来源。
如果成功实现规模化，该方法有望同时解决两大挑战：为不断增长的全球人口生产更多淡水，同时减轻海水淡化废弃物和矿物开采相关的环境负担。
这项研究得到了美国国家科学基金会、比尔及梅琳达·盖茨基金会和全球大学联盟的支持。郭春雷教授在光学研究所的同事，包括高级科学家Subash Singh、校友Ran Wei（2024届博士）、博士生Luheng Tang和Tainshu Xu，以及Mingjiang Ma，也为这项研究做出了贡献。
Author: Chunlei Guo et al.