上海交通大学鲍华教授最新Nature子刊 | 规模化太阳能界面脱盐

通讯单位：上海交通大学、田纳西大学

https://doi.org/10.1038/s41893-024-01485-6

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结束的太阳能界面脱盐（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存在很大差距。该文展示了一个扩大的SID系统，其占地面积超过150平方米，在4个月的运行中，淡水生产率高达4.5 kg m-2 d-1，额定淡水生产率为300 kg d-1。利用这个大规模系统，我们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的低成本运营不同，资本投资很重。我们还强调了解决污染问题的重要性，包括沉积和绿藻。通过将大规模实施与SID平台的分析相结合，这项工作深入了解了其在偏远地区可持续应用于家庭供水的潜力。

文章亮点

1. 大规模SID系统的成功实施

• 规模：开发了一个超过150平方米的SID平台，实现了每天300公斤淡水的生产率。

• 效率：在4个月的运行中，淡水生产率达到4.5公斤/平方米/天，显示出SID技术在大规模应用中的潜力。

• 界面加热优势：与传统的底部加热淡化相比，界面加热淡化在淡水生产率上高出10-15%，主要得益于更低的周边热损失。

• 材料选择：使用商业化的黑色纤维布作为蒸发器材料，具有良好的耐久性和效率。

• 热管理：通过增加隔热材料（如聚苯乙烯泡沫）来减少热损失，提高了系统的整体效率。

• 资本投资：系统的年均资本投资（ACI）为27,930美元，远高于年运营成本（AOC）的10美元。

• 成本结构：玻璃面板、框架和控制系统占据了大部分资本投资，而材料成本仅占2%。

• 水价：如果设备能够稳定运行5年以上，其生产的淡水价格将低于瓶装水，但高于自来水。通过优化材料和结构设计，未来成本有望进一步降低。

• 盐积累：在连续运行过程中，蒸发器表面几乎没有盐积累，显示出良好的稳定性。

• 生物污染：由于环境变化和设备不稳定性，可能会出现绿藻生长等问题。这需要定期清洁或使用防污涂层。

• 沉积物问题：如果海水预处理不足，可能会导致沉积物问题，影响系统的光吸收能力。

• 小规模应用优势：SID技术更适合小规模（0.1-5立方米/天）的分布式系统，如家庭用水供应，尤其是在偏远地区。

• 成本效益：通过引入新材料和结构设计，SID的成本有望降低，甚至可能与传统水源竞争。

• 可持续发展目标：SID技术对实现可持续发展目标（特别是SDG 6，确保清洁水的供应）具有重要意义。

• 实验平台：在浙江省的 Yueqing Power Plant 建立了一个157.9平方米的SID平台，包括测量仪器、蒸馏器、水箱和泵。

• 数据收集：通过气象站和水位传感器收集太阳能辐射、环境温度和湿度等数据。

• 长期稳定性：实验从2022年3月持续到2024年7月，显示出系统的长期稳定性和可靠性。

• 能量平衡方程：基于热和质量传递模型，建立了系统的能量平衡方程，分析了实验室规模和大规模系统之间的效率差异。

• 动态环境影响：大规模系统受到动态环境条件的影响，导致热损失增加和效率降低。

图文解析

图1. a、 中国浙江省150平方米屋顶SID平台土建施工示意图。b、 海水淡化平台照片。c、 一个蒸馏装置的示意图。d、 整个海水淡化厂。e、 2023年2月至2023年6月测得的日产水量。f、 在室外2天内通过界面脱盐和底部脱盐产生的水。g、 蒸发器面积和产水率与以往报告的比较。

图2. a、 ACI和AOC用于此模块化SID。b、 淡水价格在设备寿命期间有所不同。c、 不同系统在10年生命周期内的水价。

图3. a、 微滤入口海水（σmicro）和SID（σSID）和RO产生的淡水的电导率比较。b，运行过程中的结垢问题图：轻微的盐分积聚、海水底部的沉积物和淡水箱中生长的绿藻。

图4. MED，多效蒸馏；PV，光伏发电；MD，膜蒸馏；MVC，机械蒸汽压缩。

总结与展望

该文描述了一个跨越150多平方米的大型SID平台，并通过分析其稳定的产水量和系统成本展示了其潜力。首先，通过连续4个月的室外实验实现了额定日淡水产量为300 kg。其平台具有可扩展性，单个蒸馏装置的蒸发器面积能够扩展到2.28 m2.此外，与相同条件下的底部脱盐进行比较，突显了界面脱盐的优势，因为我们的发现表明效率提高了10-15%。我们还探讨了与报告的室内实验室规模系统相比，可变太阳通量、外部环境条件和系统热容量等因素如何导致大型设备的产水率降低。当扩大系统规模以获得更大的每日总产水量时，这是一种内在的权衡。材料或结构设计的改进可以提高大型系统的效率。

此外，我们对系统成本（包括资本投资和运营成本）的全面评估显示，资本投资出乎意料地高，其中很大一部分分配给了平台建设、控制系统安装和蒸馏器组装。相反，实验室实验所需的材料成本相对较低。这种几乎可以自我维持的设备的运营成本主要用于最少量的化学溶液、监测用电和维护劳动力。然而，随着设备寿命的延长，SID的水价预计会下降，可能会低于瓶装水的价格。随着新材料和结构的引入，预计系统成本将降低，可能降至自来水供应成本以下。

此外，总结了运营过程中遇到的一些挑战。我们通过减少水道比例来解决海水淡化问题，这仅通过基于商用材料和浓度差异的扩散来实现长期稳健性。此外，我们观察到，未能对浑浊的原海水进行微滤会导致沉积或绿藻的生长。

最后，基于SID的特点，我们将其与其他可再生能源驱动的海水淡化系统进行了比较。我们发现，SID在小规模应用（0.1-5 m3 d−1）中占有突出地位，并具有成本效益优势，例如未来偏远地区的离网生产或家庭用水。我们的分析不仅为大规模SID的实施提供了见解，还为该技术的未来发展提供了指导。

大规模SID系统的成功示范对可持续水资源管理具有重要意义，特别是在面临水资源短缺和基础设施有限的地区。我们的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的重大飞跃。该系统的可扩展性及其成本效益表明，它在离网社区和偏远地区具有广阔的应用前景。此外，SID材料和结构设计的未来进展可能会提高效率并降低成本，从而使SID有可能实现与传统水源的同等地位。这些发现促进了关于可再生能源驱动的海水淡化技术的讨论，并强调了可持续发展学会在支持可持续发展目标，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6方面的潜在作用。

文献信息

Chen, Y., Shen, L., Qi, Z. et al. Large-scale implementation of solar interfacial desalination. Nat Sustain (2025). https://doi.org/10.1038/s41893-024-01485-6

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