热扩散脱盐技术：为离网分散式海水淡化及高盐水处理提供新方法

海水淡化是将含盐海水转化为可饮用的淡水过程。这对面临水资源短缺的沿海、近海地区来说肯定是一种有效解决方案 。

海水淡化成本可能比传统水源要高，但比起远距离调水成本会低很多。

澳大利亚国立大学环境与航天热技术实验室研究人员在最新研究中展示了一种新型脱盐方法，为离网分散式海水淡化以及高盐水处理提供了潜在方法。

全球范围内，超过70%的人口面临严重缺水。随着全球人口超过可持续极限，农业和其他重要行业（如，纺织和肉类生产）将需要更多的水来维持增长。

“我们的淡水资源已经承受了很大的压力”，来自澳大利亚国立大学（Australia National University: ANU）环境与航空航天热技术（HEAT）实验室负责人Juan Felipe Torres 博士如是说。

“ 如果再加上气候变化和更长、更严重的干旱期影响，我们可能会面临复杂的人道主义危机 。 ”徐女士（Shuqi Xu）与她的博士生导师Torres教授在热扩散海水淡化工作中融合了对人道主义工程和科学发现的热情—— 一种从海水中去除盐分的节能方法。

在整个淡化过程中，水一直保持着液态。这种节能且可能是延缓水资源危机的新方法，已发表于Nature Communications。

当前的海水淡化技术需要消耗大量能源以及维修、维护等昂贵材料。虽然它们在城市和工业化地区表现良好，但在发展中国家或农村与偏远地区则难以应用。

“如果我们在不改变基本原理的情况下继续微调当前技术，这可能还不够”，Torres博士说。“技术范式转变对于确保我们能够在下个世纪维持人类生活至关重要。”

这项新研究提出了更简单、更小、更经济的海水淡化装置。

这种装置并非由电力触所驱动，而是 由阳光直接产生的低品位热量或工业过程中产生的多余热量驱动的，这就为欠发达地区以及移动式水脱盐提供了机会 （见图1）。

     

图1  热扩散脱盐概念图

盐水通过热扩散分离通道的层流。温差ΔT 可以用低品位热能，随着盐水流沿通道前进，溶液中的疏热离子会向冷侧迁移。这就导致上游水流盐度低于进水。

这与先前利用热能的脱盐技术，如，基于光热转换技术的太阳能热源脱盐（STD）系统及其它一些类型的脱盐形式（如图2）均不相同。

     

图2  太阳能热脱盐过程示意图

传统聚光太阳能热脱盐工艺原理（a）；基于底部加热模式传统太阳能热脱盐（b）；太阳能热脱盐过程原理（c）

这一技术的革新是其与基于热及材料的传统海水淡化技术相比，无需使用材料、且水无需相变，完全在单相系统中便可完成脱盐，这就避免了材料（膜材料、吸附或电极材料）使用以及水的相变（大量能量损失以及相变过程中固相沉积不可控）所导致的能量大量消耗、对环境负面影响以及运行的不稳定性。

这项技术背后的现象称为热扩散，自19世纪以来便已为人知6。“如果你有一桶咸水，一部分水比较冷，一部分比较热，氯化钠就会向冷的一面移动”，徐女士解释说。

为了测试这种效果是否可以用于海水淡化，研究人员将海水推过一个狭窄的通道，在上面加热到 60 °C，然后将下面冷却至20 °C。

一旦盐迁移到较冷的水中，该装置就会再次通过通道重新处理温度较高、含盐量较低的水，同时去除温度较低、含盐量较高的水。

水每次通过装置通道时，其盐度都会降低3%。研究表明，经过反复循环后，海水盐度可以从30,000 ppm 降低到低于500 ppm。

ANU工程学院的徐女士与Torres教授推出了热扩散海水淡化的第一个原型：一种从海水中去除盐分的新型节能方法。

他们现在正在开发一种多通道设备，以部署在汤加，那里的严重干旱损害了农业产量，并使水资源短缺成为一个持续性问题。

“世界上有数千个偏远地区和数十个小国面临缺水问题，” Torres教授说。“他们生活在气候变化影响最严重的地方，他们的土地干燥，破坏了他们的农业。我们需要热扩散海水淡化来分散该过程并可持续地为这些地区带来水安全。

（来源：水业碳中和资讯）