一键运行！新型便携式海水淡化装置实现全自动化

2022-05-05 15:13:51  信息编号：K216600  浏览次数：142

麻省理工学院的研究人员开发了一种便携式海水淡化装置，重量不到 10 公斤，可以去除颗粒和盐分以产生饮用水。

这款手提箱大小的设备运行所需的电力比充电器少，也可以由小型便携式太阳能电池板驱动，在线购买价格约为 50 美元。它自动产生超过世界卫生组织质量标准的饮用水。该技术被封装在一个用户友好的设备中，只需按一下按钮即可运行。

这个用户友好的装置，重量不到 10 公斤，不需要使用过滤器，仅由一个小型便携式太阳能电池板供电。图片来源：M.斯科特布劳尔

与其他需要水通过过滤器的便携式海水淡化装置不同，该装置利用电力去除饮用水中的颗粒。无需更换过滤器，大大降低了长期维护要求。

这可以使该单位部署在偏远和资源严重受限的地区，例如小岛上的社区或航海货船上。它还可用于帮助逃离自然灾害的难民或执行长期军事行动的士兵。

“这确实是我和我的团队所经历的 10 年旅程的高潮。我们多年来一直在研究单个海水淡化过程背后的物理学，但将所有这些进步都推到一个盒子里，建立一个系统，并在海洋，这对我来说是一次非常有意义和有益的经历，”资深作者、电气工程、计算机科学和生物工程教授、电子研究实验室 (RLE) 的成员 Jongyoon Han 说。

与 Han 一起发表论文的是第一作者 Junghyo Yoon，他是 RLE 的研究科学家；Hyukjin J. Kwon，前博士后；SungKu Kang，东北大学博士后；和美国陆军作战能力发展司令部 (DEVCOM) 的 Eric Brack。该研究已在线发表在《环境科学与技术》上。

“这真的是我和我的团队所经历的 10 年研究之旅的高潮，”资深作者 Jongyoon Han（右边） 说，他与 Junghyo Yoon 合影。图片来源：M.斯科特布劳尔

无过滤技术

Yoon 解释指出，市售的便携式海水淡化装置通常需要高压泵将水推过过滤器，这很难在不影响设备能效的情况下进行小型化。

相反，他们的装置依赖于一种称为离子浓差极化 (ICP) 的技术，该技术由 Han 的团队在 10 多年前首创。ICP过程不是过滤水，而是将电场施加到放置在水通道上方和下方的膜上。当它们流过时，膜会排斥带正电或带负电的粒子——包括盐分子、细菌和病毒。带电粒子被汇集到最终排放的第二股水流中。

该过程去除了溶解和悬浮的固体，使干净的水通过通道。由于它只需要一个低压泵，ICP 比其他技术使用更少的能量。

但 ICP 并不总能去除所有漂浮在通道中间的盐分。因此，研究人员采用了第二种工艺，称为电渗析，以去除剩余的盐离子。

Yoon 和 Kang 使用机器学习来找到 ICP 和电渗析模块的理想组合。最佳设置包括两阶段 ICP 工艺，水在第一阶段流过六个模块，然后在第二阶段流过三个模块，然后是一个电渗析过程。这最大限度地减少了能源使用，同时确保过程保持自清洁。

“虽然确实可以在离子交换膜上捕获一些带电粒子，但如果它们被捕获，我们只需反转电场的极性，带电粒子就可以轻松去除，”Yoon 解释说。

他们缩小并堆叠了 ICP 和电渗析模块，以提高其能源效率并使它们能够安装在便携式设备中。研究人员为非专家设计了该设备，只需一个按钮即可启动自动脱盐和净化过程。一旦盐度水平和颗粒数量降低到特定阈值，设备就会通知用户水可以饮用。

研究人员还创建了一个智能应用程序，可以无线控制设备并报告功耗和水盐度的实时数据。