新太陽能技術(shù)可大量生產(chǎn)飲用水

這種太陽能蒸餾器能產(chǎn)生創(chuàng)紀錄的淡水。圖片來源：UT AUSTIN

本報訊 被稱為“太陽能蒸餾器”的罐式設(shè)備能夠利用太陽光蒸發(fā)臟水或咸水，并將蒸汽凝結(jié)成安全的飲用水。但是大而昂貴的蒸餾器只能為一個小家庭提供足夠的水。如今，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新材料，可以加速蒸發(fā)過程，使小型太陽能蒸餾器能夠提供一個家庭所需的全部飲用水。如果這項技術(shù)被證明足夠便宜，它將可以為數(shù)百萬貧困人口提供清潔的飲用水。

聯(lián)合國兒童基金會的數(shù)據(jù)顯示，目前全球有7.83億人，即接近1/10的人口無法獲得這種服務(wù)。這些人每天花費共計兩億小時從遙遠的水源取水。盡管目前已有凈化污水和淡化海水的技術(shù)，但這些技術(shù)通常需要昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施和大量能源，而這讓許多社區(qū)無法承受。

近來，研究人員一直致力于將太陽能蒸餾器升級為一種廉價、低技術(shù)含量的替代品。傳統(tǒng)的蒸餾器不過是一個裝滿水的黑底容器，頂部是透明的玻璃或塑料蓋。黑色的底部吸收陽光，加熱水，使其蒸發(fā)，并留下污染物。然后水蒸氣凝結(jié)在透明的覆蓋物上，最終慢慢進入一個收集器。

但是，由于太陽光必須在蒸發(fā)開始前加熱全部體積的水，導(dǎo)致水的輸出量很低。商業(yè)上可用的版本每平方米的覆蓋面積每小時產(chǎn)生約0.3升水(L/h/m2)。一個人每天需要大約3升的飲用水。為一個小家庭提供足夠的飲用水大約需要5平方米左右的面積。理論上，在這種裝置的最佳運行狀態(tài)下，只能產(chǎn)生1.6 L/h/m2。

美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校材料科學(xué)家Guihua Yu和他的同事最近報告了一種繞過這一極限的新方法。它包括水凝膠，以及形成一個三維多孔吸水網(wǎng)絡(luò)的聚合物混合物。

Yu和同事用兩種聚合物—— 一種叫做聚乙烯醇(PVA)的水結(jié)合聚合物，另一種叫做聚吡咯(PPy)的光吸收劑——制成了一種凝膠狀海綿，然后把它們放在一個太陽能蒸餾器的水面上。

在凝膠內(nèi)部，一層水分子與PVA緊密結(jié)合，每一層水分子都形成多個化學(xué)鍵，稱為氫鍵。但由于它們的大部分鍵合能力都與PVA有關(guān)，結(jié)合水分子只能松散地與附近的其他水分子結(jié)合，最終形成了Yu所說的“中間水”。

由于中間水分子與相鄰水分子之間的化學(xué)鍵更少，所以它們比普通水更容易蒸發(fā)。在這種情況下，它們會立即被蒸餾器中的其他水分子所取代。

使用這種技術(shù)，Yu的太陽能蒸餾器能夠產(chǎn)生3.2 L/h/m2的水，這是理論極限值的兩倍。Yu的團隊去年曾在《自然—納米技術(shù)》雜志上報告了這一研究成果。

如今，Yu和他的同事已經(jīng)研制了一種更好的水凝膠。這種水凝膠與第三種聚合物殼聚糖混合，后者能夠強烈吸收水。在混合物中加入殼聚糖可以形成一種凝膠，能夠容納更多的水，從而增加了中間水的數(shù)量。

研究人員6月28日在《科學(xué)進展》雜志上報告稱，使用這種新型水凝膠蒸餾水的太陽能蒸餾器能夠以3.6 L/h/m2的速度工作，這是迄今報道的最高速度，大約是目前市面上同類產(chǎn)品的12倍。

“這是一個極好的起點。”沙特阿拉伯圖瓦爾阿卜杜拉國王科技大學(xué)環(huán)境工程師Peng Wang說。Wang指出，在這樣高的產(chǎn)水率下，1平方米的太陽能蒸餾器可以每天生產(chǎn)大約30升清潔飲用水，足夠一個小家庭使用。

他說，更好的是，水凝膠中的所有3種聚合物都是商用的，而且價格便宜。這意味著，如果使用這些聚合物的蒸餾器足夠堅固，它們可以為那些最需要的人提供干凈的飲用水。