太陽能蒸餾式海水淡化是一種純被動、可離網工作的零碳淡水供給技術，這項技術在學界的共同努力下已經實現了能效的大幅度提升。
因此制約這項技術實際應用的是長效性：產水成本取決於裝置的能效、壽命和成本。
之前的技術大多采用多孔介質作為蒸發器，這大幅可以減少熱損並提升能效，也是助推該領域快速發展的技術路線，但多孔介質的使用同時造成了抗鹽能力的下降。
當鹽水中的水蒸發之後，鹽分會留在多孔介質蒸發器內快速積累，最終飽和析出並造成蒸發效能下降或者失效，這導致裝置壽命非常有限。
在採用多孔介質作為蒸發器時，提升太陽能蒸餾裝置的能效和壽命之間存在矛盾。
在大自然中也存在海水被太陽能加熱蒸發和冷凝降雨的“蒸餾”過程，而海水蒸發還會帶來溫鹽對流現象，這種千米級的現象是海洋中物質交換的一種重要驅動力。
受到這種自然現象的啟發，教授和合作者，跳出原有多孔蒸發器的使用，提出一種基於漂浮連通器的受限水層蒸發器設計方案。
並透過調控溫度、鹽度梯度獲得了毫米級的溫鹽對流現象，形成很小的漩渦。一方面可以強化區域性傳熱，另一方面可以快速移除蒸發帶來的鹽分積累。
（來源：Joule）
在這種微小尺度溫鹽對流的幫助下，他們提出了這種溫鹽對流強化的多級太陽能蒸餾技術，解決了太陽能蒸餾裝置在提升能效和壽命之間的矛盾，在不同濃度下均實現了被動式太陽能蒸餾效率的突破，甚至實現了 20wt% 濃縮海水的長時間穩定淡化，將產水成本降低超過一個數量級，使這項技術真正具備實用化的前景。
審稿人認為本次論文是“第一篇在膜蒸餾中考慮溫鹽對流的論文”“使用受限鹽水通道進行太陽能海水淡化可以從根本上避免鹽堵塞”“在 20% 鹽度下的執行尤其令人印象深刻”。
此外，本次論文也被 Joule 期刊選為當期的 Featured Article，這讓該團隊更有信心和動力繼續做下去。
最直接的應用前景便是論文中提到的被動式太陽能海水淡化。相比於採用多孔介質蒸發器的太陽能蒸餾，本次技術不受毛細輸運的限制，裝置可以做的更大，同時也可以透過模組化的設計實現規模化應用。
這種技術可以直接在離網或海島地區使用，解決當地的淡水短缺，而且採取本次設計方案，在進行尺寸放大之後甚至還能降低比表面積和熱損，實現進一步的效能提升。
除此之外，根據這項技術的特徵，以下兩方面的應用也是有可能的：
一方面，相比傳統海水淡化技術，本次技術不需要真空執行、可被動補給鹽水，在與餘熱利用結合後可以實現低成本的海水淡化。
另一方面，他們的技術在耐鹽度上有獨特優勢，可以用在一些需要進行高濃度鹽水濃縮的場景，例如鹽湖或海水資源提取等場景。
2020 年，課題組發表了局部加熱型多級太陽能蒸餾的論文，並實現了被動式太陽能海水淡化能效的顯著提升。上述成果在當時受到很多關注，併入選 2020 年度的麻省理工學院年度研究新聞。
當時也有很多人詢問課題組實際應用的可能性，但是他們自己清楚當時的研究只解決了能效這個問題，在實際應用中長效性仍然存在很大挑戰。
基於此，課題組定下了提升裝置長效性的研究方向，最主要的就是提升蒸發過程的耐鹽能力。
最開始他們只知道要克服能效提升和長效性提升的矛盾，就必須跳出多孔介質的使用，所有就設計了漂浮連通器的受限水層蒸發設計。
但在實驗中他們發現了可重複的溫度異常波動，這在課題組此前的研究中從來沒有出現過。這讓他們非常激動，因為這必然代表著一些沒有意識到的現象存在。
透過進一步的實驗、模擬和文獻查閱，他們確定這是類似於海洋中溫鹽對流的一種現象，只不過實驗中對流的尺寸要小的多，它帶來的週期性流動導致了溫度的異常波動。
接下來，課題組針對這種新現象進行了詳細研究，並充分發揮它的能力來強化太陽能蒸餾過程，最終實現了高效、強耐鹽的太陽能蒸餾。
日前，相關論文以《具有溫鹽對流的極耐鹽多級太陽蒸餾》（）為題發在 Joule[1]。
圖 | 相關論文（來源：Joule）
上海交通大學博士生高金彤、美國麻省理工學院張樂楠為論文共同一作，和美國麻省理工學院教授 擔任共同通訊作者。
圖 | 徐震原（來源：）
後續計劃分兩個方面：
一方面，課題組覺得目前這項技術已經具備實用化的屬了，所以下一步希望找到合適的應用場景，進行技術放大和應用，真正解決一些離網地區的淡水供給問題。
另一方面，其認為溫鹽對流這種有趣的現象值得更深層次的研究，希望把這種現象觸發還有作用研究透徹，看看是否能在其他技術中也起到作用。
參考資料：
1.Gao, J., Zhang, L., You, J., Ye, Z., Zhong, Y., Wang, R., ... & Xu, Z. (2023). Extreme salt-resisting multistage solar distillation with thermohaline convection.Joule, 7(10), 2274-2290.
運營/排版：何晨龍
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