意大利：马兰戈尼效应助力太阳能海水淡化效能的提升
发布日期：2020-10-28
来源： IWA国际水协会
太阳能海水淡化是利用光热作用蒸馏海水或苦咸水去除盐分来获得淡水的过程。太阳能海水淡化中，脱盐设备组件内容易形成盐结晶。随着时间的推移，这种堵塞现象会严重降低设备的产水性能。曾有研究提出利用具有抗堵塞特性的新型纳米材料来解决这一问题。但是，这些新型材料成本高，很难实现大规模的商业化应用。意大利都灵理工大学（Politecnico di Torino）的研究人员联合美国麻省理工学院（MIT）深入研究了盐颗粒在脱盐装置中的传输机制，找到了能够加速排盐的关键马兰戈尼效应（Marangoni effect）。当两相界面存在表面张力梯度时，便会发生马兰戈尼效应，例如我们在摇晃红酒杯时会观察到杯壁形成“酒泪”就是由于该效应的存在。在研究团队的实验中，海水和空气之间的界面存在盐浓度梯度，并由此产生表面张力梯度，其为溶剂和盐份溶质的移动提供了额外驱动力。沿该界面的表面张力梯度产生切向剪切力，形成滑移速度，驱动海水从低表面张力向高表面张力方向流动。
研究团队并基于此开发了具有优化几何结构的多级被动式太阳能蒸馏器，可自发排盐防止设备结晶堵塞，提升产水量。具体来讲，他们设计调整了浸没与海水中亲水传输带的宽度，优化了传输带上排盐区域和蒸发区域的比例，最大程度地让马兰戈尼效应发挥作用，加速排出积累在蒸发层表面的盐分，防止其堵塞进水传输通道，保证进水流速。其实验显示，基于马兰戈尼效应的盐去除过程要比自发扩散情况下快100倍。为了提升淡水产出效率，研究人员还利用理论模型设计了蒸馏反应器蒸发层和冷凝层之间的最佳间隔宽度，同时用塑料材质的隔片代替之前用于间隔蒸发层和冷凝层的疏水微孔膜，在不影响处理效果的前提下大大降低了设备的材料成本。此外，蒸发层和冷凝层之间的铝板能够收集冷凝时释放的热量，将其传回到散热板中持续为后续的脱盐过程供能。
都灵理工大学的研究团队正对反应器原型做进一步的研究和优化，希望把它做成材料低成本、技术灵活、设备性能长期稳定的分散式太阳能海水淡化解决方案，实现商业化应用。
