Nat. Sustain.|从实验室走向工业化！太阳能界面海水淡化的大规模实施
Nat. Sustain.|从实验室走向工业化！太阳能界面海水淡化的大规模实施
淡水短缺是全球面临的严峻挑战，40亿人正遭受水资源短缺之苦。太阳能界面海水淡化（SID）技术作为解决这一问题的潜在方案，其从实验室走向工业化的进程备受关注。近日，一项发表在《自然·可持续性》的研究展示了首个超过150平方米的放大SID系统，该系统不仅实现了连续4个月的稳定运行，日产水量更是高达4.5 kg/m²/day。这项突破性进展为解决偏远地区水资源短缺问题带来了新的希望。
成果掠影 & 研究背景
淡水短缺是人类生存面临的日益严峻的挑战，全球40亿人面临水资源短缺。因此，开发被动、经济高效的海水淡化系统作为欠发达地区的分布式系统变得至关重要。太阳能界面海水淡化（SID）是一种利用太阳能生产淡水的技术，被视为解决水和能源双重短缺的潜在解决方案。然而，目前的实验室规模成功与未来的工业应用之间仍然存在很大差距。因此，题为“Large-scale implementation of solar interfacial desalination”的研究提出了一个超过150平方米的放大SID系统并实现高达4.5 kg m-2 day-1的淡水生产大型装置并实现超过4个月的运行。利用这个大规模系统，发现系统尺寸需要材料选择的巨大变化和热质量的大幅增加，从而导致不同的产水量。成本分析显示，与室内SID的低成本运行不同，大型装置资本投资很重。研究还强调了解决污垢问题的重要性，包括沉积物和绿藻。通过将大规模实施与SID平台的分析相结合，这项工作提供了对其在偏远地区可持续应用生活供水的潜力的见解。
研究内容 & 图文数据
效率评估
图1 a 中国浙江省屋顶SID平台土建施工示意图；b 海水淡化平台的照片；c 蒸馏装置的示意图；d 整个海水淡化厂；e 2023年2月至2023年6月的日产水量；f 室外界面海水淡化和底部海水淡化2天产生的水；g 蒸发器面积和产水率与以往报告的比较；h 模拟实验室规模设备在24小时内每个组分的实时温度演变；i 大型平台模拟每个组件的实时温度演变；j 蒸发器的输出热损失比比较。
成本评估
图2 a 模块化SID的年化资本投资（ACI）和年度运营成本（AOC）；b 淡水价格随设备生命周期而变化；c 不同系统在10年生命周期内的水价
运行中的结垢问题
图3 a 微滤入口海水、RO技术和SID产生淡水的电导率比较；b 运行过程中的结垢问题图：少量盐分积累、海水底部的沉积物和淡水箱中生长的绿藻
未来应用
本研究展示了污水污泥电化学重整过程中产物的分析与定量成果。具体而言：图4a揭示了有机物氧化反应（WOR）与氢气析出反应（HER）混合电解过程中，总有机碳（TOC）的损耗与转化，映射出二氧化碳的潜在生成及其对氢气产量的影响。图4b与图4c借助基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）及凝胶渗透色谱（GPC）分析，表明电化学处理促使大分子有机物分解，分子量显著降低。图4d对电化学重整前后的蛋白质与腐殖质进行定量分析，以探究这些大分子在电化学转化中的变迁。图4e与图4f分别采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）与气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）技术，鉴定了电化学重整生成的挥发性脂肪酸（VFAs）种类及其产量。
图4 SID与其他可再生能源驱动的海水淡化技术之间的水价和系统容量权衡
总结
大规模SID系统成功示范对可持续的水资源管理具有重要意义，尤其是在面临水资源短缺和基础设施有限的地区。分析揭示了加速市场采用必须解决的关键技术和成本问题，这可能代表着向广泛应用和未来扩展迈出的重大飞跃。该系统的可扩展性及其成本效益，为离网社区和偏远地区提供了有前途的应用。此外，SID材料和结构设计的未来进步可能会提高效率并降低成本，因此SID有可能与传统水源实现同等水平。这些发现有助于对可再生能源驱动的海水淡化技术的讨论不断增加，并强调了SID在支持可持续发展目标方面的潜在作用，特别是旨在确保所有人都能获得清洁水的可持续发展目标。
原文链接：10.1038/s41893-024-01485-6