新太阳能技术可大量生产饮用水

这种太阳能蒸馏器能产生创纪录的淡水。资料来源:UT AUSTIN

被称为“太阳能蒸馏器”的罐式设备可以利用阳光蒸发脏水或盐水，并将蒸汽冷凝成安全的饮用水。但是大型昂贵的蒸馏器只能为一个小家庭提供足够的水。现在，研究人员开发了一种新材料，可以加速蒸发过程，这样一个小型太阳能蒸馏器就可以提供家庭所需的所有饮用水。如果这项技术被证明足够便宜，它将为数百万穷人提供干净的饮用水。

根据儿童基金会的数据，目前有7.83亿人，即世界人口的近十分之一，无法获得这种服务。这些人每天总共花费2亿小时从遥远的水源取水。虽然目前有净化污水和淡化海水的技术，但这些技术通常需要昂贵的基础设施和大量的能源，这是许多社区负担不起的。

最近，研究人员一直致力于将太阳能蒸馏器升级为廉价且低技术含量的替代品。传统的蒸馏器只是一个装满水的黑色容器，顶部有一个透明的玻璃或塑料盖。黑色的底部吸收阳光，加热水，蒸发，留下污染物。水蒸气然后凝结在透明的盖子上，最终慢慢进入收集器。

然而，因为阳光必须在蒸发开始前加热全部的水，所以水的产量非常低。商业上可获得的版本每小时每平方米覆盖面积产生大约0.3升水(升/小时/平方米)。一个人每天需要大约3升饮用水。为一个小家庭提供足够的饮用水大约需要5平方米。理论上，在该装置的最佳运行状态下，只能产生1.6升/小时/平方米。

奥斯汀德克萨斯大学的材料科学家余桂华和他的同事最近报道了一种绕过这一限制的新方法。它包括水凝胶和聚合物混合物，形成三维多孔吸水网络。

于和他的同事们用两种聚合物制成了一种凝胶海绵——一种叫聚乙烯醇(PVA)的结合水聚合物和一种叫聚吡咯(PPy)的光吸收剂——然后把它们放在太阳能蒸馏器的表面。

在凝胶内部，一层水分子与聚乙烯醇紧密结合，每层水分子形成多重化学键，称为氢键。然而，由于它们的大部分结合能力与聚乙烯醇有关，因此结合的水分子只能与附近的其他水分子松散地结合，最终形成于所说的“中间水”。

由于中间水分子和相邻水分子之间的化学键较少，它们比普通水更容易蒸发。在这种情况下，它们将立即被蒸馏器中的其他水分子取代。

利用这一技术，于的太阳能蒸馏器可产生3.2 L/h/m2的水，是理论极限的两倍。于的团队去年在《自然纳米技术》杂志上报道了研究结果。

现在，于和他的同事已经开发出一种更好的水凝胶。这种水凝胶与第三种聚合物壳聚糖混合在一起，这种壳聚糖能很好地吸水。将脱乙酰壳多糖加入到混合物中可以形成含有更多水的凝胶，从而增加中间水的量。

研究人员在6月28日的《科学进步》杂志上报道称，使用这种新型水凝胶蒸馏水的太阳能蒸馏器可以以3.6升/小时/平方米的速度工作，这是迄今为止报道的最高速度，比目前市场上同类产品的速度高出约12倍。

“这是一个很好的起点。”沙特阿拉伯索尔瓦德的阿卜杜拉国王科技大学的环境工程师王鹏说。王指出，在如此高的产水量下，一个1平方米的太阳能蒸馏器每天可以生产30升清洁饮用水，足够一个小家庭使用。

他说，更好的是，水凝胶中的所有三种聚合物都可以买到，而且便宜。这意味着如果使用这些聚合物的蒸馏器足够坚固，它们可以为最需要的人提供干净的饮用水。(赵茜·Xi)

相关纸质信息:

https://doi.org/10.1126/sciadv.aaw5484

《中国科学日报》(2019-07-02第二版国际版)