淡水是人類社會賴以生存和發展的基本物質之一，而目前僅存在于河流、湖泊和可供人類直接利用的地下淡水已不足0.36%。占地球總水量的97%以上的海水，由于含鹽度太高不能直接飲用或灌溉，剩下不足3%的淡水分布極其不均，其中3/4被凍結在地球的兩極及高寒地帶的冰川中，余下的淡水中地下水又比地表水多出了37倍。

隨著社會經濟發展及工業化進展的加快，人類對淡水資源的需求日益增長；一些島嶼和沿海鹽堿地區以及內陸苦咸水地區一直屬于缺乏淡水的地區。為解決這一發展中的矛盾，尤其是缺水地區對淡水的渴求，就近進行海水或苦咸水淡化已成為擴大淡水來源的有效途徑之一。

當然，對海水或苦咸水進行淡化的方法有很多，如常規蒸餾法、離子交換法、滲析法、反滲透膜法以及冷凍法等。這些傳統的方法除需要消耗大量的燃料或電力外，還會污染空氣并造成溫室效應。因此，95%的能耗來自太陽能，幾乎不消耗石油、天然氣、煤炭等常規能源，綠色無污染，所得淡水純度高的太陽能海水淡化技術得到了廣泛應用。

2018年，美國能源部宣布資助2100萬美元支持太陽能光熱海水淡化技術研發項目，旨在加快太陽能光熱海水淡化技術的創新突破，降低光熱海水淡化的成本；2019年，我國工業和信息化部、水利部聯合發布的《國家鼓勵的工業節水工藝、技術和裝備目錄(2019年)》中，“太陽能光熱低溫度多效海水淡化技術”被提及。

2013年，我國首個太陽能光熱海水淡化示范項目在海南建成投產，日產蒸餾水約30噸，可解決約5000人對健康飲用水的需求，其產水成本約為傳統裝置的45%；2020年，沙特首個“太陽能圓頂”海水淡化廠將開工建設，將采用聚光太陽能技術進行海水淡化，生產成本約為0.34美元/噸，遠遠低于海水淡化廠采用反滲透方法的生產成本。

除了制取成本，效率也是太陽能海水淡化的關注點。此前，美國萊斯大學研究人員利用廉價塑料透鏡將太陽光聚焦到“熱點”，將太陽能海水淡化系統的效率提高了50％左右。他們表示，提高太陽能海水淡化系統性能的典型方法是增加太陽能聚光器并增加光線，而該方法的最大優勢在于使用相同數量的光，既可低成本地重新分配電力，還能大幅提高純凈水的生產率。

日前，上海交通大學制冷與低溫工程研究所與麻省理工學院的研究人員發表了有關超高效太陽能海水淡化研究的最新進展，即在1000W/m2的太陽輻照下，通過采用商用和低成本材料搭建的實驗裝置，創紀錄地實現了385%的太陽蒸發效率和5.78L/(m2h)的海水淡化產水率，相關成果已發表于《Energy & Environmental Science》雜志。

圖 1 麻省理工的光熱海水淡化測試裝置

全被動式的太陽能海水淡化技術，由于其裝置結構簡單、取材方便，是解決海水淡化適應性的有效技術之一，尤其適用于缺乏基建和偏遠地區，然而其效率一直偏低（約35%）。近年來，太陽能界面蒸發為高效便攜式海水淡化提供了新的思路，成為了能源科學、材料科學和熱科學等交叉領域的研究熱點，但其效率也十分有限（約100%）。

該研究團隊指出，系統性的能量傳遞優化是達到超高效太陽能海水淡化的關鍵，而非高性能材料。他們提出的“界面局部加熱型多級太陽能蒸餾架構”，結合了太陽能界面局部加熱和蒸汽焓回收利用，顯著提升了被動式太陽能海水淡化的效率，比此前的有關研究所得的效率高出了2倍多。

圖 2 局部加熱多級太陽能蒸餾（TMSS）

圖3 TMSS裝置的設計與部件

據介紹，該被動式太陽能海水淡化裝置還可以通過毛細作用進行被動補水，同時通過鹽分在夜間的反向擴散實現被動排鹽，可保證長效穩定的被動式工作。

該研究團隊進一步表示，可滿足一個家庭日常飲水需求的該裝置預造價估約100美元，在基礎設施有限但陽光和海水充足的地區有著極高的應用潛力。因此，該研究成果為解決偏遠或離網地區的淡水短缺問題提供了更加切實有效的解決方法，還為界面太陽能蒸發走向實用化和高效化提供了全新的思路和理論框架。

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