世界资源研究所指出，淡水作为至关重要但有限的资源，未来几年将愈发稀缺。海水淡化作为增加淡水供应的成熟方法，在沿海地区备受关注。然而，当前海水淡化系统依赖大规模集中式基础设施，且使用的过滤膜易结垢和降解。

近日，莱斯大学一个工程师团队开发出一种可改变海水淡化实践的新系统，使该过程更具适应性、弹性，且成本更低。相关研究成果发表于《自然水》杂志。

该新系统利用阳光供电，并采用创新热回收方法，无论有无阳光，都能延长水的生产时间。与传统系统不同，它由不可降解材料制成，可处理高盐度盐水。

“在离网社区，获取清洁淡水尤其困难，”莱斯大学电气与计算机工程博士生、美国国家科学基金会研究员威廉·施密德表示，他正研究提高光驱动海水淡化效率的方法，“我们希望专注于开发分散式、模块化的海水淡化系统。”

热法海水淡化包含蒸发和冷凝的循环：水蒸发时，盐和其他杂质等固体物质被留下，水蒸气冷却并凝结成淡水。蒸发过程需消耗能量克服液相水特有的分子间作用力，冷凝过程则在水蒸气变回液体时释放能量。要提高热法海水淡化系统效率，必须回收并再利用液体和蒸汽转变过程中产生的能量。

这项名为“太阳热共振能量交换海水淡化”(STREED)的新技术，利用钟摆和电路等共振系统物理学的原理，借助水流和气流工作。在共振系统中，能量以重复周期在不同形式间振荡，在特定“共振”频率下效率最高。

STREED致力于保存两股逆流流体——一股加热的盐水流和一股空气流之间交换的能量。当正确调节时，热量会以共振模式在这两股流体间振荡，即便太阳被云层遮挡或落到地平线后，也能有效储存和传递热能。由于这种独立的“共振能量转移”，STREED无需外部储能技术，降低了整个系统的成本和维护负担。

“我们的关键创新在于利用电气工程和振荡器物理原理的见解，来调整系统内部的流速，使其与一天中太阳能量的变化相匹配，”施密德说，“这种依赖于光的流量控制此前从未实现过。”

与施密德共同撰写研究的第一作者、莱斯大学应用物理学研究生项目的研究生阿莱达·马乔罗 - 奥尔蒂斯表示，该系统“全天候运行稳定，维护成本极低”。

该系统在德克萨斯州圣马科斯进行了测试，原型系统每小时可生产高达0.75升饮用水。团队还利用美国不同地区的太阳强度曲线进行了一系列模拟，从阴云密布的俄勒冈州波特兰到阳光明媚的新墨西哥州阿尔伯克基。总体而言，在代表性的一周内，STREED的水回收效率比采用静态流速的系统高出77%。

“这支持了这样一种观点，即尽管该系统在总淡水产量方面受益于阳光充足的地方，但实现高能源到水效率并不依赖于高太阳强度，”马乔罗 - 奥尔蒂斯说。

大多数海水淡化厂采用反渗透(RO)技术，因膜技术限制，无法有效处理高盐度水，其淡水回收率为35 - 50%，其余部分通常作为高盐度水被丢弃。而STREED能够处理高盐度水，且产水量或水质不会显著下降。

此外，STREED用空气取代了许多海水淡化系统中常见的精密膜。该团队未采用传统的由膜隔开的双液通道设计，而是采用一个加热的污水或咸水通道，以及一个相邻的空气通道用于带走水蒸气，水蒸气在水 - 空气热交换器中凝结，留下污染物。

“由于没有任何可能被污染或破坏的膜，该系统更加坚固耐用，”莱斯大学电气与计算机工程助理教授、该研究的通讯作者亚历山德罗·阿拉巴斯特里说，“我们特意使用了耐用、低维护的材料，以使系统易于扩展和使用。”

更多信息：William Schmid 等，《无膜离网太阳能热加湿-除湿海水淡化的谐振能量转移》，《自然水》(2025)。