韓國打造超高效率太陽能蒸餾器
韓國蔚山科學技術院（UNIST）的研究團隊開發出一款太陽能海水淡化裝置，據報在一個標準太陽光照條件下，每平方公尺每小時的蒸發率可達 3.4 公升。這款原型裝置利用陽光和一種名為 La0.7Sr0.3MnO3 的先進光熱材料，無需外接電力，就能將海水轉化為飲用水。它也解決太陽能海水淡化最棘手的問題之一：鹽分在蒸發器表面累積，遮擋光線並降低效能。透過將溶解的鹽分從高溫中心區引導至邊緣，系統得以長時間運作，同時產生可凝結成液態水的潔淨水蒸氣。
這項研究由 UNIST 能源與化學工程學院的張智賢（Ji Hyun Jang）教授領導，並刊登於《Advanced Energy Materials》。研究結合簡易的紙基吸水結構與高效率光熱表面。在耐久性測試中，裝置於含鹽量達 20% 的鹵水中穩定運作兩週，遠高於一般海水 3.5% 的鹽度。研究團隊表示，同樣的設計也能用於資源回收，例如在邊緣結晶並收集鹽分，而非將濃縮鹵水排回海洋。
隨著更多地區面臨水資源壓力，被動式太陽能海水淡化日益受到關注。全球有數十億人無法穩定取得安全管理的飲用水；沿海社區也往往仰賴柴油驅動的逆滲透廠，這類設施運轉成本高，且會產生大量鹵水。只靠陽光製造淡水、維護需求低且不需電網供電的模組化系統，有望為偏遠村落、島嶼、農場及災後救援行動補上關鍵缺口。UNIST 的裝置正是針對這項需求而設計，以簡單材料、巧妙結構和陽光，取代高產能廠房設備。
裝置如何運作
UNIST 的設計採用獨特的倒 L 形蒸發器，以吸水紙為核心。這種紙的作用類似石蕊試紙，透過毛細作用將海水向上吸引。垂直部分頂端設有一層由 La0.7Sr0.3MnO3 製成的吸光光熱層；這是一種鈣鈦礦氧化物，能高效率地將照射而來的陽光轉換為熱能。海水抵達這個高溫表面後會迅速蒸發，鹽分則留在原處。水蒸氣接著移往較冷的表面凝結，收集成液態淡水。
關鍵特色之一是水流方向。研究團隊設計出沿高溫表面單向流動的液體，形成鹽分濃度梯度。溶解的離子會移向邊緣附近水活性較低的區域，並在不遮擋光線的位置結晶成固態鹽。這種自我清潔效果讓中央光熱區持續接受陽光照射，同時在周邊收集鹽分，以便移除或再利用。裝置的幾何形狀和流道承擔了主要工作，因此不需要幫浦、薄膜或頻繁的人工作業清潔。
La0.7Sr0.3MnO3 材料的優勢
裝置的核心材料是 La0.7Sr0.3MnO3，常簡稱為 LSMO。它是一種鈣鈦礦氧化物，屬於光學和電氣特性可調的材料。與太陽能電池常見的含鉛鹵化物鈣鈦礦不同，LSMO 含有鑭、鍶和錳，不依賴易揮發或有毒的鉛。由於水處理應用十分重視穩定性與環境安全，這使 LSMO 更具吸引力。
LSMO 之所以能有效轉換光熱，關鍵在於它如何處理陽光激發的電荷載子。簡單來說，這種材料的電子結構中會形成陷阱態。光線將電子激發至較高能階後，許多電子會在未發出光子的情況下重新結合，直接將能量以熱的形式釋出。這種非輻射途徑通常稱為熱化，能將相當高比例的入射太陽能轉化為表面局部熱能。有效釋熱可快速升高溫度，讓裝置在相同日照下加速蒸發。
解決鹽分問題
鹽分汙垢長期限制太陽能海水淡化的發展。水分蒸發時，溶解的鹽分會逐漸濃縮，最後在高溫表面結晶。晶體會散射光線並阻礙熱傳，因此蒸發率大幅下降。許多早期系統雖能良好運作數小時，但之後就需要清理或暫停運作以沖除鹽分。UNIST 團隊透過幾何結構和受控水流應對這項挑戰，而非仰賴複雜塗層或活動零件。
倒 L 形結構和單向水流會形成穩定的鹽分梯度，將離子推離光線最強的高溫區。晶體會在容易收集的邊緣成核並生長。實驗室測試顯示，即使在總溶解鹽含量達 20% 的高鹽溶液中，裝置仍能持續運作兩週。這種鹽度常見於工業製程排出的鹵水，遠高於開放海域海水，顯示裝置在實際海水環境中具有充足的操作餘裕，也可能用於鹵水濃縮和資源回收。
如何解讀效能數據
研究報告指出，在一個標準太陽光照條件下，蒸發率為每平方公尺每小時 3.40 公斤。「一個太陽」指每平方公尺約 1 千瓦的標準測試日照。許多被動式太陽能蒸餾器在類似測試中的產水量約為每平方公尺每小時 0.3 至 0.4 公斤，因此 UNIST 原型裝置的速度快了 8 至 10 倍。實際每日產水量取決於當地整天的日照，以及將水蒸氣重新凝結成液體的冷凝器效率。在日照強烈的環境下，若能維持數小時的日照，一平方公尺模組以報告中的速率運作，每天可產出數十公升水。多個模組組成陣列後，產水量還能進一步增加。
蒸發率與實際取得的飲用水量並不相同。實驗室數據測量的是每小時有多少水分從高溫表面以水蒸氣形式離開。實際系統必須將幾乎所有水蒸氣捕集並凝結至潔淨儲水槽，同時盡量減少熱損失。良好的冷凝器設計、隔熱措施，以及潛熱再利用，都能讓整體系統產水量更接近蒸發器的產出。UNIST 團隊也指出，裝置的抗汙垢特性是穩定產水的重要原因，因為潔淨的光熱表面能長時間維持吸光和產熱能力。
與傳統海水淡化技術的比較
逆滲透是現代海水淡化的主流技術。它以高壓使海水通過細密薄膜，為城市和產業大量製造淡水。但這種效能也伴隨取捨。逆滲透每生產一立方公尺的水，需消耗數千瓦小時電力；薄膜需要前處理保護，產生的濃縮鹵水也必須妥善管理。廠房資本投入高，通常須連接電網或專用電源。
像 UNIST 這種被動式太陽能蒸發器，無需高壓、幫浦或大量電力。它單位時間、單位面積的產水量較低，但能離網、安靜運作，維護也較簡單。將鹽分結晶引導至邊緣，還能減少液態鹵水的產生。在氣候條件合適的地區，模組化蒸發器群可為家庭、診所或農場供應飲用水，較大型的設置則能支援社區需求。對城市而言，太陽能蒸發更可能是高產能水廠的補充，而非取而代之，作為具韌性的備援，或供電網邊緣偏遠社區使用的方案。
適用情境與部署方式
這款裝置的目標使用環境是電網供電有限、維修人力不足的地區，島嶼社區、漁村和沿海農場都符合這項條件。風暴、地震或衝突導致供水設施失效後的人道救援行動，也有類似需求。團隊的構想採模組化設計，可依需求部署單片面板，或組成多片陣列以提高供水量。由於運作安靜且不使用高壓設備，也適合重視可靠性與安全性的學校和診所。
由於設計會將鹽分推向周邊，系統也能作為資源回收工具。操作人員可以收集乾鹽和其他結晶礦物，而不必排放濃縮液態鹵水。這有助於減輕環境影響，也能創造小規模收入來源。研究團隊提出，未來可將多個倒 L 形蒸發器組合成大型模組，讓現場安裝和維護更為簡便。
擴大規模與工程挑戰
從實驗室原型走向實地設備，必須仔細考量材料、製造和熱管理。蒸發器的紙質吸水芯須能承受數月的乾濕循環、海洋生物造成的生物汙損，以及紫外線照射。光熱表面也必須盡可能減少劣化，持續維持吸光和熱能轉換能力。LSMO 是熱穩定性良好的鈣鈦礦氧化物，這有助於裝置運作。製程也會影響成本。能以低溫均勻塗布大面積材料的技術，可降低費用並提升製程重現性。
冷凝和熱回收是系統效率的關鍵。每公斤水蒸氣都攜帶大量潛熱。若設計能讓蒸氣在與進水海水共用熱能的表面凝結，就能回收這些能量並提高總產水量。外殼應減少熱損失和蒸氣外漏，同時保持易於清潔。灰塵、海水飛沫和鹽晶都需要透過簡單的清潔流程妥善處理。團隊在極高鹽度下的耐久性測試結果令人振奮，但沿海環境中的數月測試，才能進一步證明裝置的長期可靠性和維護需求。與援助組織和地方公用事業單位合作，可協助進行這些測試，並根據不同氣候條件調整設計。
氣候與永續發展考量
對離網地點而言，太陽能海水淡化具備明確的氣候優勢。它以陽光取代電力，避免柴油發電機的燃料消耗與排放。不過，從鑭和鍶的採購，到吸收器與外殼的製造，生命週期影響仍值得重視。採用耐用材料和簡單組裝方式，可延長使用年限，並將隱含碳排分攤至多年服務期間。無需高壓幫浦，也能降低能源消耗與運轉噪音，讓沿海社區和野生動物受益。
這種系統產生的廢棄物流與傳統水廠不同。UNIST 的方法將鹽分結晶於邊緣，有助減少濃縮鹵水排入近岸海域。可行時，收集的鹽分能重新用於工業製程，或安全送回鹽田。這符合讓海水淡化更能兼顧海洋生態系的努力，也呼應全球發展目標中的潔淨飲水與衛生。隨著氣候變遷帶來更嚴重的乾旱和熱浪，能以最低能源消耗將豐富海水轉為安全飲用水的實用工具，將成為許多地方調適計畫的一環。
重點整理
- UNIST 研究人員打造一款無需電力的太陽能海水淡化裝置，據報在一個標準太陽光照條件下，每平方公尺每小時可蒸發 3.40 公斤水。
- 這項設計採用紙質吸水芯和倒 L 形結構，將海水引至光熱表面。
- 光熱層採用 La0.7Sr0.3MnO3，這種鈣鈦礦氧化物透過非輻射再結合將陽光轉為熱能。
- 單向水流將鹽分推向邊緣，減少高溫中心區的汙垢與光線遮擋。
- 耐久性測試顯示，裝置在含鹽量 20% 的溶液中穩定運作兩週，鹽度高於一般海水。
- 一般被動式太陽能蒸餾器每平方公尺每小時產水量為 0.3 至 0.4 公斤，因此這項研究報告的數值約高出 8 至 10 倍。
- 這項構想有助於回收鹽分，並比許多傳統方法減少液態鹵水排放。
- 模組陣列可為村落、診所、島嶼和災後救援行動提供離網水源。
- 研究刊登於《Advanced Energy Materials》，由張智賢教授領導，第一作者為 Chaule 博士。
- 實地測試、冷凝器設計和可擴大規模的製造技術，將決定實際產水量與成本。
