比熱能蒸發快3倍 有助突破海水淡化效率 光分子技術 把水蒸發不須熱能

編譯/韋士塔 |2023.11.11
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海水淡化是重要的飲用水來源。 圖/美聯社
目前的海水淡化設施,成本非常昂貴。圖/美聯社

編譯/韋士塔

美國麻省理工學院(MIT)的研究人員發現一個不尋常的現象:在沒有增加熱能情況下,光似乎能夠把水蒸發。研究團隊表示,這項顛覆基本物理原理的發現,可能有助突破海水淡化的效率限制,進而緩解飲用水不足的問題,甚至有助對氣候變遷的研究。

MIT的團隊指出,蒸發是生活隨處可見的現象,包括物體冷卻、汗水、露水的蒸發;然而,科學界對這種現象的理解,可能一直不夠完整。近年來,一些研究人員在實驗時發現,在海綿狀材料(水凝膠)中的水,蒸發的速度比使用熱能蒸發時還快,也就是這些水吸收熱能的效率,已達到理論中最高效率的2倍甚至3倍。

MIT機械工程學教授陳剛(Gang Chen,音譯)表示,研究團隊對這個現象很感興趣,希望能應用於提升海水淡化效率。海水淡化的原理是透過蒸發水中的鹽、礦物質後,讓蒸汽再次冷卻成液體,藉此去除水中的鹽、礦物質,形成飲用水。

為了驗證水凝膠中的水蒸發速度是否較快,研究團隊進行一系列新的實驗及模擬,並重新審查其他研究團隊發表的實驗結果。陳剛教授表示,他們取得令人震驚的結論:在某些條件下,在水的表現,也就是水與空氣的交接處,不需要熱量就可以直接引起蒸發,且效率高於以熱能蒸發。

MIT的團隊假設,光子能夠消除水面上的水分子;隨後,研究人員把水凝膠暴露在不同波長的光下,測量蒸發的液體數量,結果蒸發狀況再次突破了熱極限,在特定波長的綠光下,蒸發效率最高。作為對照組,在相同的無光實驗下,使用電流加熱,蒸發速率並未超過熱極限。

研究小組發表於《應用物理科學》(Applied Physical Sciences)期刊的報告表示:「依據我們的分析,光譜中的光子會撞擊水分子簇(water cluster),讓水分子從水、空氣之間的邊界層分離出來,加快了蒸發速度。這種由光驅動的蒸發過程,稱為光分子效應(photomolecular effect)。」

光分子效應可能發生在海面或雲、霧中的水滴表面,因此,把這種效應納入氣候模型,將可提高其準確性。此外,光分子效應有可能應用於其他領域,例如提高太陽能海水淡化系統的效率。

研究人員解釋,標準的海水淡化通常有2個步驟,首先將水蒸發成蒸汽,接著冷凝蒸汽以液化成淡水。光分子效應將可實現高效率蒸發,也能應用於材料乾燥的製程。研究團隊指出,這項技術一旦成熟,有可能把太陽能海水淡化的產水量提高3~4倍,大幅降低海水淡化成本,幫助解決許多地區缺乏乾淨飲用水的問題。此外,在蒸發冷卻過程中,或許也能透過這種效應,提供高效的太陽能冷卻系統,達到節能減碳的效果。

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