淡水是稀有的天然资源。尽管地球表面七成地方被水复盖,然而可供人类饮用和使用的淡水仅佔当中百分之三。另外,地球三分之二的淡水现存于冰川或其他难以触及的源头。据专家预测,到了2025年,全球可能有三分之二人口受到食水短缺的困扰[1]。要解决食水短缺的问题,我们可以循环再用污水或把海水化淡;不过,这两项传统技术均需昂贵的大型设施。我们还可使用小型太阳能蒸发装置。这种装置能把污水或海水加热,然后冷却和收集所产生的淨化水蒸气。应用物理学系副教授曾远康博士有见聚氨酯发泡包装物料被广泛滥用,而回收无门,于是率领团队研究把当中的黑色海绵用作太阳能吸收器。团队更对海绵进行特别处理,以增强水分蒸发的效能。这项技术无论在减废和生产淡水两方面均大有可为。
传统太阳能蒸馏技术
污水循环再用及海水化淡技术成本高昂,因此要大规模营运才符合经济效益。曾博士解释说:「传统的太阳能水蒸发装置往往使用昂贵的螺纹透镜或弧形反射镜,将太阳光高度集中,令它的强度高达正常强度的1000倍,用于加热蒸发水,这需要投入大量的人力物力。此外,传统设备的效率往往因为严重的光损耗及表面热量流失而偏低。」团队遂倾向于制备新型简易太阳能光热蒸发产水装置,因为不用考虑复杂而精密的光学组件。
局部加热产生更多水蒸气
太阳能蒸发装置的原理是通过把太阳的热量吸收和集中于水面,令以下的水保持相对较低的温度。曾博士道:「若把一杯水放在阳光下,整杯水会慢慢升温、蒸发。但若把一片黑色海绵置于水面,就能加快蒸发过程。究其原因,深色的海绵能吸收较多热量;再者,海绵在水中起了隔离的作用,令水面与其余部分分隔开来,把热量集中到水面,在那里进行更有效的蒸发。」为了进一步增加水分蒸发,团队用多巴胺处理海绵,提升了其亲水性,把更多水分引到海绵中。实验证明,用了海绵的太阳能蒸发装置所蒸发的水量较没有使用海绵的多3.5倍以上。
典型例子:香港村屋
典型香港村屋的屋顶面积约为700平方呎。如以博士研发的太阳能蒸发装置复盖整个屋顶,假设效能维持不变,以及能收集六成蒸发水,以每天5.22小时日照计算,那么每天便能从污水中回收169公升淡水。这个水量能满足八个成年人一天的饮用及卫生需要。此外,由于海绵吸收器加快了水分的蒸发,而蒸发过程用去大部分热能,所以只有少量热能被天台吸收和散射到室内,室内温度不会因天台受阳光照射而大幅升高,令使用空调的需要降低。
2018年12月,能产生水蒸气的废弃海绵太阳能吸收器于「第一届亚洲发明展览会 – 香港」荣获银奖。