淡水是稀有的天然資源。儘管地球表面七成地方被水覆蓋,然而可供人類飲用和使用的淡水僅佔當中百分之三。另外,地球三分之二的淡水現存於冰川或其他難以觸及的源頭。據專家預測,到了2025年,全球可能有三分之二人口受到食水短缺的困擾[1]。要解決食水短缺的問題,我們可以循環再用污水或把海水化淡;不過,這兩項傳統技術均需昂貴的大型設施。我們還可使用小型太陽能蒸發裝置。這種裝置能把污水或海水加熱,然後冷卻和收集所產生的淨化水蒸氣。應用物理學系副教授曾遠康博士有見聚氨酯發泡包裝物料被廣泛濫用,而回收無門,於是率領團隊研究把當中的黑色海綿用作太陽能吸收器。團隊更對海綿進行特別處理,以增強水分蒸發的效能。這項技術無論在減廢和生產淡水兩方面均大有可為。
傳統太陽能蒸餾技術
污水循環再用及海水化淡技術成本高昂,因此要大規模營運才符合經濟效益。曾博士解釋說:「傳統的太陽能水蒸發裝置往往使用昂貴的螺紋透鏡或弧形反射鏡,將太陽光高度集中,令它的強度高達正常強度的1000倍,用於加熱蒸發水,這需要投入大量的人力物力。此外,傳統設備的效率往往因為嚴重的光損耗及表面熱量流失而偏低。」團隊遂傾向於製備新型簡易太陽能光熱蒸發產水裝置,因為不用考慮複雜而精密的光學組件。
局部加熱產生更多水蒸氣
太陽能蒸發裝置的原理是通過把太陽的熱量吸收和集中於水面,令以下的水保持相對較低的溫度。曾博士道:「若把一杯水放在陽光下,整杯水會慢慢升溫、蒸發。但若把一片黑色海綿置於水面,就能加快蒸發過程。究其原因,深色的海綿能吸收較多熱量;再者,海綿在水中起了隔離的作用,令水面與其餘部分分隔開來,把熱量集中到水面,在那裡進行更有效的蒸發。」為了進一步增加水分蒸發,團隊用多巴胺處理海綿,提升了其親水性,把更多水分引到海綿中。實驗證明,用了海綿的太陽能蒸發裝置所蒸發的水量較沒有使用海綿的多3.5倍以上。
典型例子:香港村屋
典型香港村屋的屋頂面積約為700平方呎。如以博士研發的太陽能蒸發裝置覆蓋整個屋頂,假設效能維持不變,以及能收集六成蒸發水,以每天5.22小時日照計算,那麼每天便能從污水中回收169公升淡水。這個水量能滿足八個成年人一天的飲用及衛生需要。此外,由於海綿吸收器加快了水分的蒸發,而蒸發過程用去大部分熱能,所以只有少量熱能被天台吸收和散射到室內,室內溫度不會因天台受陽光照射而大幅升高,令使用空調的需要降低。
2018年12月,能產生水蒸氣的廢棄海綿太陽能吸收器於「第一屆亞洲發明展覽會 – 香港」榮獲銀獎。