根據聯合國的數據，仍有 22 億人無法獲得安全管理的飲用水。為了滿足日益增長的需求，從加州到中東部分地區，許多地方都依賴海水淡化廠將海水轉化為淡水。
傳統的海水淡化方法，如逆滲透和熱蒸餾，可能成本高昂且耗能。它們通常需要水處理前後的化學處理，並產生大量濃縮鹽水，稱為鹽鹵。當鹽鹵排放回海中時，會因鹽度升高和氧氣含量降低而損害海洋生態系統。
羅徹斯特大學的研究人員開發了一種新方法，有望解決這些挑戰。他們開發的太陽能海水淡化系統能有效率地生產淡水，無需化學預處理，並避免產生鹽鹵廢料。該研究由光學與物理學教授、羅徹斯特大學雷射能量學實驗室資深科學家 Chunlei Guo 領導。團隊在《Light: Science & Applications》期刊上描述了這項技術。
雷射處理的太陽能板驅動過程
該系統依賴於一種特殊的工程太陽能板，由經過飛秒雷射紋理處理的黑色金屬製成。這種處理賦予表面兩個重要特性：它幾乎能吸收所有入射陽光，並強烈吸引水，這種特性稱為超吸水性。
雷射蝕刻的活性區域將一層薄薄的海水引導至面板上。當陽光被吸收時，水會蒸發並蒸餾成淡水。同時，溶解的鹽和礦物質會被引導離開活性區域，沉積在面板上未經處理的部分，稱為被動區域。
透過將鹽分移離蒸發區域，該設計可防止可能干擾連續運作的積垢。
利用咖啡環效應防止堵塞
Guo 指出，幾種太陽能熱海水淡化技術在實驗室研究中，使用僅由水和氯化鈉組成的簡化海水時，已顯示出有希望的結果。
在這些實驗中，隨著水蒸發，氯化鈉晶體會形成鬆散、多孔的結構。水可以繼續流過這些晶體，將其溶解，使系統相對容易清潔。
真實的海水則複雜得多。
除了氯化鈉，海洋還含有許多其他溶解的礦物質。含有鎂和鈣的物質在結晶時經常形成堅硬、緻密的結殼。這些沉積物會阻塞水流，並最終導致海水淡化過程停止。
這個問題類似於茶壺內部的礦物質水垢堆積，或隨著時間推移堵塞淋浴噴頭，只是海水中的溶解鹽濃度要高得多。
為了克服這個挑戰，羅徹斯特團隊仔細設計了黑色金屬表面的微觀凹槽。這種圖案會促使鹽和礦物質在積聚之前就移離活性區域。
研究人員還利用了一種熟悉的物理現象，稱為咖啡環效應。
「如果你將咖啡滴在表面上，最終水會蒸發，外緣會留下濃縮的咖啡顆粒形成的環，」Guo 說。「我們利用相同的原理將鹽分推向被動區域。」
當團隊使用從太平洋、大西洋和印度洋收集的水樣測試該技術時，表面能有效地自我清潔。淡水被持續提取，同時鹽分被引導至被動區域，之後可以在不降低性能的情況下進行收集。
回收有價值的礦物質，而非製造廢料
該系統最顯著的優勢之一是剩餘鹽的處理方式。
傳統的海水淡化會產生必須處理、處置或排放到環境中的液體鹽鹵。而新製程則以固體形式回收幾乎所有溶解的鹽分。
這些回收的材料可能成為寶貴的資源。除了生產食鹽，該製程還可以幫助提取重要的礦物質，如鋰，這是電動汽車和許多消費電子產品中使用的鋰離子電池的關鍵成分。
在一項發表於《Journal of Materials Chemistry A》的相關研究中，Guo 和同事證明了相同的超吸水太陽能板也能將鋰與其他鹽類分離。
為了實現這一點，研究人員將鈦酸氫納米粒子嵌入黑色金屬表面的微觀凹槽中。這些粒子可以選擇性地從其他溶解的礦物質中分離出鋰。
「從地球開採鋰在能源和環境方面已被證明非常耗費精力，因此直接從海水提取鋰可能是未來非常重要的途徑，」Guo 說。
利用猶他州大鹽湖的水，團隊成功回收了淡化後剩餘鹽分中約 50% 的鋰。
大規模生產淡水的潛力
儘管該技術迄今為止僅在概念驗證設備中得到演示，但 Guo 認為該方法可以顯著擴大規模。
如果成功擴大，該系統可以幫助增加清潔飲用水的供應，同時創造更永續的關鍵礦產來源。
該研究得到了國家科學基金會、比爾及梅琳達·蓋茲基金會以及全球大學網絡的支持。光學研究所的其他貢獻者包括資深科學家 Subash Singh、校友 Ran Wei（博士學位）、博士生 Luheng Tang 和 Tainshu Xu，以及 Mingjiang Ma。
