新型高科技芯片有望使海水變成淡水
[導(dǎo)讀]將海水變?yōu)槿祟?lèi)可以飲用的淡水一直是一個(gè)吃力不討好的差事，它耗能大、水質(zhì)又差，現(xiàn)在MIT的科學(xué)家們制造的芯片可以更好地完成這個(gè)工作。雖然地球表面有超過(guò)70%被水覆蓋，但是我們可以直接使用的淡水卻并不算多。海洋
將海水變?yōu)槿祟?lèi)可以飲用的淡水一直是一個(gè)吃力不討好的差事，它耗能大、水質(zhì)又差，現(xiàn)在MIT的科學(xué)家們制造的芯片可以更好地完成這個(gè)工作。
雖然地球表面有超過(guò)70%被水覆蓋，但是我們可以直接使用的淡水卻并不算多。海洋中的苦澀咸水占了總水量的97.5%，剩下的淡水又大部分集中在南北極和冰川上。數(shù)百萬(wàn)年來(lái)，人類(lèi)只能依靠?jī)H占總水量0.2%的淡水生存。
將海水變?yōu)榈莻€(gè)歷史悠久的課題。雖然早在1954年人們就修建了大規(guī)模的海水淡化廠，但是直到目前為止，最常見(jiàn)的海水脫鹽方式依然是半透膜反滲透或者多級(jí)閃蒸。前者利用薄膜讓水分子通過(guò)而阻止其他雜質(zhì)，后者則通過(guò)多次壓力降低讓水迅速以蒸汽的形式逸出。這兩種方式的成本都比較高，而且并不適合制造成便攜式的淡化裝置。現(xiàn)在麻省理工學(xué)院和韓國(guó)的研究者們制造出一種可以用于淡化海水的芯片，為海水淡化提供了一種新思路。
這種芯片與傳統(tǒng)集成電路芯片的制作方式類(lèi)似，通過(guò)簡(jiǎn)單的光刻和腐蝕工藝就可以完成。它可以將海水中鹽類(lèi)的濃度提升并且通過(guò)一條通道排出，而從另一條通道中產(chǎn)生相當(dāng)不錯(cuò)的淡水。它基于一種叫做離子濃差極化(ICP，Ion Concentration Polarization)的現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)這種淡化過(guò)程，而其低能耗的特征令人印象深刻：制造1000升淡水，只需要3.5度電。
離子濃差極化是一種向電解質(zhì)溶液通電時(shí)會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象。當(dāng)電極上流過(guò)電流時(shí)，在那些離電極較近的溶液中離子會(huì)靠近異性電極，而遠(yuǎn)處溶液中的離子又來(lái)不及補(bǔ)充，從而在電極外制造出一層離子濃度較低的溶液層。這種現(xiàn)象在電解和電鍍的過(guò)程中是有害的，因?yàn)樗馕吨枰鼜?qiáng)的電流或者頻繁的攪拌來(lái)減小離子分布不均勻帶來(lái)的負(fù)面影響;而在麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的這種凈水芯片中，卻剛好利用了這一層薄薄的低濃度溶液—它也就意味著高質(zhì)量的淡水。
麻省理工學(xué)院電子電氣和計(jì)算機(jī)學(xué)院的博士后Sung Jae Kim和助教Jongyoon Han以及他們的韓國(guó)同事在一塊郵票大小的軟硅膠基板上制造出了這種分離淡水的裝置。芯片上微小的水道呈Y字型，中間的交點(diǎn)就是鹽水和淡水的分離處，和V字型的地線相連。在加上75伏電壓以后，流經(jīng)入水通道的海水將會(huì)在交叉點(diǎn)分道揚(yáng)鑣：高濃度的溶液會(huì)經(jīng)由鹽水出口排出，而人們可以從淡水口收集那層離子濃度低的溶液。
這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于水道的寬度和電壓。如果寬度過(guò)于寬的話，那么電極表面的低濃度溶液，也就是我們需要的淡水將會(huì)混合著鹽水一起排出;而寬度過(guò)窄的話，將會(huì)造成能量的浪費(fèi)，以及減小出水量?，F(xiàn)在在這塊芯片原型上，入水通道的寬度是0.5毫米，而每個(gè)出水口寬度只有0.25毫米，深度是0.1毫米左右。它的測(cè)試效果令人振奮。
在測(cè)試中，研究人員首先在馬薩諸塞州伊普斯維奇的Crane海灘取得海水樣本，在其中加入了血細(xì)胞、一些垃圾碎片和別的物質(zhì)來(lái)讓其更加符合海水的實(shí)際情況，然后用過(guò)濾裝置將超過(guò)通道直徑的雜質(zhì)濾出，再將海水接入這塊芯片。在顯微鏡下可以清晰地看到，加電后半秒鐘，渾濁的海水在Y型通道的交叉點(diǎn)處分叉，清澈的水流向淡水出口，而更加渾濁的高濃度鹽水流向鹽水口。實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種方法已經(jīng)能夠去除海水中99%的鹽分和其他雜質(zhì)，產(chǎn)出的淡水占總水量的一半。當(dāng)然，這種方法只能用于去除帶電的離子和雜質(zhì)，對(duì)于電中性的微粒來(lái)說(shuō)并不適用。從淡水口產(chǎn)出的水依然需要通過(guò)例如活性炭過(guò)濾這樣的方式來(lái)處理，才能夠成為安全的飲用水。“這種芯片可以將海水和苦咸水中的細(xì)菌和其他粒子分離出去，而且不會(huì)產(chǎn)生任何堵塞問(wèn)題。”Jongyoon Han說(shuō)，“這在美國(guó)可能不是什么大問(wèn)題。但是在印度，很多的飲用水都是苦咸水或者咸水，這個(gè)特點(diǎn)就顯得非常重要了?！?BR>
現(xiàn)在，這種凈水芯片的工藝和成本已經(jīng)不算大問(wèn)題，畢竟光刻和腐蝕工藝在數(shù)十年的發(fā)展過(guò)程中變得相當(dāng)成熟，研究者們更關(guān)注的是它的工作效率。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品中，因?yàn)橥ǖ廊萘康南拗?，每分鐘可以入?.02毫升，而只能產(chǎn)水0.01毫升。這意味著，如果滿足一個(gè)成年人一天4升的飲水需求，一塊芯片需要工作9個(gè)月。
將大量這類(lèi)芯片集成到一起，可能是更好的辦法。研究者們現(xiàn)在開(kāi)始制造一個(gè)擁有100個(gè)凈水單元的面板，來(lái)驗(yàn)證規(guī)?；蓪?duì)脫鹽處理結(jié)果的影響，以及嘗試完成一個(gè)包含1萬(wàn)個(gè)凈水單元的系統(tǒng)。在理想狀況下，這樣的一個(gè)系統(tǒng)每小時(shí)可以生產(chǎn)6升淡水，足以支持一個(gè)中型家庭的需要。
在偏遠(yuǎn)地區(qū)和欠發(fā)達(dá)地區(qū)，這套海水淡化裝置將可以利用太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力來(lái)運(yùn)行，只需要將海水從裝置頂部灌入，就可以借助重力的幫助，從底部收集淡水。它還可能會(huì)成為災(zāi)難救援的好工具，也會(huì)為其他需要便攜式海水淡化裝置的場(chǎng)合提供幫助。然而，在這種美好前景面前，這種芯片依然需要經(jīng)過(guò)大規(guī)模集成的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試難關(guān)，才能確定它是否真正具有推廣價(jià)值。研究者們認(rèn)為，進(jìn)行規(guī)模化和改進(jìn)的過(guò)程大概需要兩年時(shí)間。
雖然地球表面有超過(guò)70%被水覆蓋，但是我們可以直接使用的淡水卻并不算多。海洋中的苦澀咸水占了總水量的97.5%，剩下的淡水又大部分集中在南北極和冰川上。數(shù)百萬(wàn)年來(lái)，人類(lèi)只能依靠?jī)H占總水量0.2%的淡水生存。
將海水變?yōu)榈莻€(gè)歷史悠久的課題。雖然早在1954年人們就修建了大規(guī)模的海水淡化廠，但是直到目前為止，最常見(jiàn)的海水脫鹽方式依然是半透膜反滲透或者多級(jí)閃蒸。前者利用薄膜讓水分子通過(guò)而阻止其他雜質(zhì)，后者則通過(guò)多次壓力降低讓水迅速以蒸汽的形式逸出。這兩種方式的成本都比較高，而且并不適合制造成便攜式的淡化裝置。現(xiàn)在麻省理工學(xué)院和韓國(guó)的研究者們制造出一種可以用于淡化海水的芯片，為海水淡化提供了一種新思路。
這種芯片與傳統(tǒng)集成電路芯片的制作方式類(lèi)似，通過(guò)簡(jiǎn)單的光刻和腐蝕工藝就可以完成。它可以將海水中鹽類(lèi)的濃度提升并且通過(guò)一條通道排出，而從另一條通道中產(chǎn)生相當(dāng)不錯(cuò)的淡水。它基于一種叫做離子濃差極化(ICP，Ion Concentration Polarization)的現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)這種淡化過(guò)程，而其低能耗的特征令人印象深刻：制造1000升淡水，只需要3.5度電。
離子濃差極化是一種向電解質(zhì)溶液通電時(shí)會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象。當(dāng)電極上流過(guò)電流時(shí)，在那些離電極較近的溶液中離子會(huì)靠近異性電極，而遠(yuǎn)處溶液中的離子又來(lái)不及補(bǔ)充，從而在電極外制造出一層離子濃度較低的溶液層。這種現(xiàn)象在電解和電鍍的過(guò)程中是有害的，因?yàn)樗馕吨枰鼜?qiáng)的電流或者頻繁的攪拌來(lái)減小離子分布不均勻帶來(lái)的負(fù)面影響;而在麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的這種凈水芯片中，卻剛好利用了這一層薄薄的低濃度溶液—它也就意味著高質(zhì)量的淡水。
麻省理工學(xué)院電子電氣和計(jì)算機(jī)學(xué)院的博士后Sung Jae Kim和助教Jongyoon Han以及他們的韓國(guó)同事在一塊郵票大小的軟硅膠基板上制造出了這種分離淡水的裝置。芯片上微小的水道呈Y字型，中間的交點(diǎn)就是鹽水和淡水的分離處，和V字型的地線相連。在加上75伏電壓以后，流經(jīng)入水通道的海水將會(huì)在交叉點(diǎn)分道揚(yáng)鑣：高濃度的溶液會(huì)經(jīng)由鹽水出口排出，而人們可以從淡水口收集那層離子濃度低的溶液。
這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于水道的寬度和電壓。如果寬度過(guò)于寬的話，那么電極表面的低濃度溶液，也就是我們需要的淡水將會(huì)混合著鹽水一起排出;而寬度過(guò)窄的話，將會(huì)造成能量的浪費(fèi)，以及減小出水量?，F(xiàn)在在這塊芯片原型上，入水通道的寬度是0.5毫米，而每個(gè)出水口寬度只有0.25毫米，深度是0.1毫米左右。它的測(cè)試效果令人振奮。
在測(cè)試中，研究人員首先在馬薩諸塞州伊普斯維奇的Crane海灘取得海水樣本，在其中加入了血細(xì)胞、一些垃圾碎片和別的物質(zhì)來(lái)讓其更加符合海水的實(shí)際情況，然后用過(guò)濾裝置將超過(guò)通道直徑的雜質(zhì)濾出，再將海水接入這塊芯片。在顯微鏡下可以清晰地看到，加電后半秒鐘，渾濁的海水在Y型通道的交叉點(diǎn)處分叉，清澈的水流向淡水出口，而更加渾濁的高濃度鹽水流向鹽水口。實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種方法已經(jīng)能夠去除海水中99%的鹽分和其他雜質(zhì)，產(chǎn)出的淡水占總水量的一半。當(dāng)然，這種方法只能用于去除帶電的離子和雜質(zhì)，對(duì)于電中性的微粒來(lái)說(shuō)并不適用。從淡水口產(chǎn)出的水依然需要通過(guò)例如活性炭過(guò)濾這樣的方式來(lái)處理，才能夠成為安全的飲用水。“這種芯片可以將海水和苦咸水中的細(xì)菌和其他粒子分離出去，而且不會(huì)產(chǎn)生任何堵塞問(wèn)題。”Jongyoon Han說(shuō)，“這在美國(guó)可能不是什么大問(wèn)題。但是在印度，很多的飲用水都是苦咸水或者咸水，這個(gè)特點(diǎn)就顯得非常重要了?！?BR>
現(xiàn)在，這種凈水芯片的工藝和成本已經(jīng)不算大問(wèn)題，畢竟光刻和腐蝕工藝在數(shù)十年的發(fā)展過(guò)程中變得相當(dāng)成熟，研究者們更關(guān)注的是它的工作效率。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品中，因?yàn)橥ǖ廊萘康南拗?，每分鐘可以入?.02毫升，而只能產(chǎn)水0.01毫升。這意味著，如果滿足一個(gè)成年人一天4升的飲水需求，一塊芯片需要工作9個(gè)月。
將大量這類(lèi)芯片集成到一起，可能是更好的辦法。研究者們現(xiàn)在開(kāi)始制造一個(gè)擁有100個(gè)凈水單元的面板，來(lái)驗(yàn)證規(guī)?；蓪?duì)脫鹽處理結(jié)果的影響，以及嘗試完成一個(gè)包含1萬(wàn)個(gè)凈水單元的系統(tǒng)。在理想狀況下，這樣的一個(gè)系統(tǒng)每小時(shí)可以生產(chǎn)6升淡水，足以支持一個(gè)中型家庭的需要。
在偏遠(yuǎn)地區(qū)和欠發(fā)達(dá)地區(qū)，這套海水淡化裝置將可以利用太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力來(lái)運(yùn)行，只需要將海水從裝置頂部灌入，就可以借助重力的幫助，從底部收集淡水。它還可能會(huì)成為災(zāi)難救援的好工具，也會(huì)為其他需要便攜式海水淡化裝置的場(chǎng)合提供幫助。然而，在這種美好前景面前，這種芯片依然需要經(jīng)過(guò)大規(guī)模集成的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試難關(guān)，才能確定它是否真正具有推廣價(jià)值。研究者們認(rèn)為，進(jìn)行規(guī)模化和改進(jìn)的過(guò)程大概需要兩年時(shí)間。
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