來源：“Research科學研究”微信公眾號
哈工大任南琪院士團隊賀詩欣教授課題組基於全球水資源短缺的背景，全面分析了太陽能驅動的海水淡化系統在抗鹽和能源管理方面的情況，總結了利用先進製造技術提高海水淡化系統性能和防鹽能力的機制和策略，並提出了基於人工智慧多系統耦合的概念來提高海水淡化系統的能源管理效率。相關研究以“Sustainable Seawater Desalination and Energy Management: Mechanisms, Strategies, and the Way Forward” 為題發表在Research上。
Citation：
Wang M, Wei Y, Li R, Wang X, Wang C, Ren N, Ho SH. Sustainable Seawater Desalination and Energy Management: Mechanisms, Strategies, and the Way Forward. Research 2023;6:Article 0290.
https://doi.org/10.34133/ research.0290
研究背景
水資源短缺在很大程度上威脅著人類的生存和社會發展。確保人人都能獲得安全、可靠的飲用水是一項全球性挑戰，在聯合國全球發展優先事項框架（SDG 6.118）中被正式列為到2030年的一項國際發展優先事項。對飲用水日益增長的需求被認為是全球海水淡化市場的主要驅動力，因此，如何有效地將海水轉化為淡水是推動人類社會可持續發展的重要課題。太陽能驅動的海水淡化系統因其成本效益、環境友好和可持續性被推薦為海水淨化和廢水處理的最佳選擇。然而，基於介面蒸發效應的海水淡化系統在長期執行過程中通常會遇到鹽沉積和能源管理不善等問題，因此需要全面分析太陽能海水淡化裝置在抗鹽沉積和能源管理方面的執行情況，找出關鍵的知識差距，以及提出新的多系統耦合概念來提高海水淡化系統的執行效率。
研究進展
基於先進製造技術製備的太陽能海水淡化系統因其高光熱轉換效率、高結構可調性和出色的抗鹽能力具有較強競爭力。透過3D列印、仿生技術以及微流控技術構建的太陽能介面海水淡化系統具有可控形態的膜或元件，從而擁有優良的水通道結構、潤溼性轉換介面及區域性鹽沉澱結構，在提高蒸發效率的同時有效避免鹽積累對系統的損害。石墨烯、碳奈米管、等離子體金屬和半導體等新型光熱奈米材料很容易應用於當前的先進製造技術，從而提高蒸發器的能量密度。基於此的海水淡化系統效率高、結構獨特可控，可與相變儲能、鹽差能、潮汐能和奈米發電機等能量轉換裝置耦合，在儲能、熱迴圈和能源多級利用方面具有很好的交叉性。同時，新出現的機器學習演算法也被作為預測海水淡化系統性能和生產率的有力工具，以最佳化系統長期執行的能源利用效率。對以上方面的分析有助於充分釋放太陽能海水淡化系統的潛力，為解決當前的水危機提供一條可持續的途徑。
圖文摘要 基於先進製造技術製備的太陽能海水淡化系統以及與能源多級利用方面的交叉性
本文重點強調了太陽能海水淡化與海洋能源利用系統的結合。分析了能同時進行海水淡化/制氫的耦合系統從而提高太陽能利用率和減少汙染物積累的案例。具有催化活性的多功能海水淡化系統用於可擴充套件和可持續的水修復被證明是可行的，如從模擬廢水和實際海水中透過表面催化作用快速降解水生汙染物生產清潔水；淡化/催化系統對受汙染水體中有機汙染物的高效降解等，展示了太陽能的多效利用優勢。
圖1 基於太陽能海水淡化的多重耦合系統例項
海水淡化是生產電能的一個很有前景的驅動力，這種淡化驅動發電為能源供應提供了一種新思路。本文分析了太陽能海水淡化與發電的合理耦合，如利用PVDF產生的加熱-冷卻和輕微振盪熱機械響應發電裝置；利用形態結構與高表面電位之間協同作用的發電奈米材料以及基於奈米棒陣列膜的海水淡化-發電系統等，均表明太陽能海水淡化和蒸發驅動發電可能會產生有趣的組合，但要清楚地闡明太陽能轉化為蒸汽以及發電等各種過程所涉及的機理，還需要進行實驗和計算，以確定耦合系統的主要優缺點，從而加深理解並快速實現實際應用。
圖2 人工智慧（AI）預測海水淡化效能的模型構建
為解決海水淡化系統的技術問題，大量研究致力於開發智慧多功能材料和系統，而在太陽能海水淡化模型和資料框架方面的研究卻很少。物理設計（如材料引數、結構設計和特定熱交換面積）和系統性能對於海水淡化系統的實際應用至關重要，但環境溫度、相對溼度、風速、太陽輻射、進水溫度和水中溶解固體總量等引數對於系統應用也不容忽視。人工智慧（AI）可用於許多領域的工業和研究，包括太陽能海水淡化。應用人工智慧的一個重要概念是使模型透過與環境的積極互動找到最優策略，從而最大化預期未來收益並實現目標，如利用傳熱理論模型和實驗結果評估蒸發器在不同流速下的效能，多層感知器（MLP）、決策樹 （DT）和貝葉斯線性迴歸等演算法的應用可以很好地預測系統在測試環境中的生產率。因此，在訓練有素的AI的幫助下，可以有效地發現和應用最佳材料結構、模組引數以及系統配置。
未來展望
1.設計海水淡化裝置結構化的自驅動溶鹽策略：（i）利用鹽度梯度將鹽分快速輸送到海水中；（ii）利用蒸發器潤溼性切換介面將鹽分與光熱結構分離；（iii）誘導鹽分在蒸發器的特定區域析出。目前的工作需要充分闡明海水與功能材料/結構之間的相互作用及其對水蒸發的影響。大規模應用的重點是開發實用的海水淨化和儲存系統，同時解決蒸發器在海水甚至受汙染水源中的耐用性問題。
2.雖然已經開發了AI和熱力學模型等方法來研究系統的蒸發潛力，但更多考慮的是將太陽輻照度、環境溫度、水溫差、蒸發溫差、蒸發和冷凝溫度作為獨立引數輸入到設定中。考慮到在未來發展中需要建立更多人工智慧模型，應利用更多資料來進行構建，如設計引數、隔熱條件、執行/天氣條件以及奈米流體對靜態效能的影響。
3.以太陽能海水淡化為基礎開發海洋中的豐富能源值得推廣。濃度梯度、壓力梯度和溫度梯度可用於能量轉換，如鹽差發電、壓電和熱電等。然而，這些耦合技術面臨的挑戰是迴圈性差、易受影響和對環境的負面影響。因此，應對開發和設計策略進行全面的技術和經濟/環境可行性分析，以滿足實際要求。
作者簡介
賀詩欣（Shih-Hsin Ho），長聘教授，博士生導師，國家高層次人才，現任職於哈工大環境學院，並擔任國合基地副主任。近年來，主持並參與了包含中組部、基金委、科技部等專案共15項。主要從事微藻廢水處理與藻渣資源化利用、及環境功能材料開發等相關領域的研究。在Nat. Water, Nat. Biomed. Eng., Trends in Biotech., Research, Appl. Cat. B, Environ. Sci. Technol., Water Res.等發表SCI論文280餘篇。總引用20000餘次（Google Scholar），H index為78（Google Scholar） ，29篇高被引論文。連續多年入選世界前2%科學家併入選科睿唯安（Clarivate）全球高被引科學家。擁有授權發明專利10餘項，開展成果轉化應用多項。現擔任中組部、教育部、科技部、基金委和多所國內外高校人才評審專家等，並擔任Environ. Sci. Ecotechnol.（SCI）, J. Hazard. Mater. （SCI）, Chin. Chem. Lett.（SCI）, Bioresour. Bioprocess.（SCI）, Energies（SCI）, Results Eng.（SCI)等多本期刊副主編、編委或客座編委。
任南琪，中國工程院院士。曾任哈爾濱工業大學副校長，現為城市水資源與水環境國家重點實驗室主任，“城市水質轉化規律與保障技術”國家創新研究群體帶頭人。主要從事城市水資源與水環境改善對策，汙水生物處理工藝、技術與裝置，廢物資源化及能源化理論與技術，環境微生物系統生物學與生態學等方面研究。主持國家和省部級專案23項。獲國家技術發明二等獎1項、國家科技進步二等獎2項、省部級獎12項。兼任國務院住房城鄉建設部海綿城市建設技術指導專家委員會主任委員，國務院學位委員會學科評議組召集人，教育部資源環境與地球科學部委員，住建部科學技術委員會城鎮水務專業委員會主任，國際水協會（IWA）Fellow，教育部環境類專業指導委員會副主任委員，中國環境科學學會副理事長，中國能源學會副會長等。
