原文：美国罗切斯特大学新闻中心

翻译：郭巳秋

核心要点：

◆ 新型海水淡化方法无需化学添加剂，即可从海水中制备饮用水。

◆ 该太阳能驱动系统采用特制黑色金属面板以吸收太阳辐射。

◆ 系统具备自清洁表面，可分离并收集盐分，而非将其以有害卤水废弃物的形式排放。

◆ 系统可从盐分中提取锂——锂是可充电电池的关键材料。

◆ 该方法有望缓解全球水资源短缺问题，并满足日益增长的矿产需求。

背景：全球水资源危机与海水淡化困境

联合国估计，全球有22亿人缺乏安全管理的饮用水。从美国加利福尼亚州到中东地区，众多社区依赖海水淡化装置将海水转化为淡水。目前常用的海水淡化技术——如反渗透和热蒸馏——能耗高、需要对原水和产水进行预处理和后处理，并会产生一种称为「卤水」的浓盐水副产物。这种卤水副产物一旦排回海洋，会提高局部盐度、降低水中溶解氧含量，对海洋生物造成严重危害。

然而，罗切斯特大学（University of Rochester）最新研发的一种创新方法有望克服上述缺陷，为全球海水淡化技术带来突破性进展。

研究进展：太阳能热驱动海水淡化新技术

罗切斯特大学光学研究所的研究人员开发了一种新型太阳能热驱动海水淡化工艺，能够以高能效方式生产淡水，且不产生卤水废物，也无需使用化学添加剂对原水进行预处理。研究团队由光学与物理学教授、罗切斯特大学激光能量学实验室高级科学家郭春雷教授领衔，相关成果发表于国际期刊《Light: Science & Applications》，题为“Additive-free and brine-discharge-free solar-thermal desalination with simultaneous complete mineral mining from ocean water”。

该技术采用由飞秒激光刻蚀而成的黑色金属太阳能面板，使面板表面具备超强光吸收能力和超润湿性——即对水极强的亲和力。面板设有经激光处理的201c主动区域201d，可将薄层水膜牵引至整个面板表面，吸收几乎全部太阳辐射，对水进行蒸馏，并将残余盐分和矿物质引导至面板未处理的两侧201c被动区域201d，从而防止盐分堵塞主动区域，确保淡化过程持续运行。

图1：太阳能驱动解决方案

研究人员开发出一种具有飞秒激光刻蚀超润湿性黑色金属表面的太阳能海水淡化装置（右）。 与现有太阳能淡化系统（左）不同，郭春雷教授的设计可防止盐分和矿物质积聚堵塞表面。 （罗切斯特大学图片 / J. Adam Fenster）

技术原理：“咖啡环效应”的创新应用

郭教授指出，其他研究者此前已开发了一些在实验室条件下、使用仅含氯化钠的模拟海水时效果良好的太阳能热驱动淡化技术。在水分蒸发过程中，氯化钠会以颗粒状、多孔的方式结晶，允许水分渗透，从而溶解盐分，且太阳能面板易于清洗。

然而，真实海水的成分远比模拟海水复杂。当上述系统在实际环境中接受测试时，往往暴露出严重问题：海水中以镁和钙为基础的化合物不同于氯化钠，其结晶形态致密、非多孔，会在面板表面形成坚硬的水垢，堵塞面板，导致水分无法继续渗透。这一现象与莲蓬头长期使用后堵塞或水壶内壁形成水垢类似，只是海水中的含盐量约为自来水的数百倍，危害更为严重。

为防止面板表面发生类似堵塞，郭教授研究团队精密控制黑色金属表面的刻蚀沟槽形态，使海水中各类盐分和矿物质能够自行脱落。与此同时，他们还巧妙利用了一种困扰咖啡爱好者数百年的物理现象——“咖啡环效应”。

"如果将咖啡液滴到某个表面上，水分最终蒸发后，外缘会留下一圈咖啡粒子的环形痕迹，"郭教授表示，"我们正是利用这一原理，将盐分推送至被动区域。"

研究团队使用来自太平洋、大西洋和印度洋的实际海水样本，对其太阳能热驱动淡化技术进行了测试。结果表明，面板表面实现了自清洁功能——在提取淡水的同时，将残余盐分引导至被动区域，盐分可在后续被收集，且不会降低面板的工作效率。

图2：水的转化——从海水到淡水

图中展示海水、大盐湖湖水、硫酸镍溶液、氯化铜废水及淡化水的样品瓶，以及回收盐分， 呈现了罗切斯特大学研究人员开发的新方法如何将天然水和工业废水转化为淡水与可再利用矿物质。 （罗切斯特大学图片 / J. Adam Fenster）

废物变资源：提取锂等珍稀矿物

这一新型淡化方法的显著优势之一，在于它不产生必须处置或二次处理的卤水，而是以固态形式提取近乎百分之百的盐分。这不仅能提供大量食盐，还可进一步提取更为珍贵的矿物质，其中包括锂——锂是锂离子电池的核心材料，广泛应用于电动汽车及各类电子设备。

在发表于《Journal of Materials Chemistry A》期刊的相关论文中，郭教授及其团队展示了如何利用同款超润湿性太阳能面板，从海水淡化产生的盐分中分离锂元素。研究人员将钛酸氢纳米颗粒嵌入黑色金属表面的微纳沟槽中，使锂离子与其他盐分和矿物质分离。

"从地层中开采锂在能源和环境方面的代价极为高昂，因此直接从盐水中提取锂，未来有望成为一条极为重要的技术路径，"郭教授表示。

利用来自大盐湖的水样，研究人员从海水淡化后的残余盐分中成功提取了约50%的锂。

前景展望：可扩展的全球解决方案

郭教授表示，目前该超润湿性海水淡化技术已在小型装置上完成概念验证，他认为该技术在原理上具有高度可扩展性，有望提升全球饮用水获取能力，并推动珍稀矿物资源更可持续的供应链建设。

研究支持与团队成员

本研究获美国国家科学基金会（National Science Foundation）、比尔及梅琳达·盖茨基金会（Bill & Melinda Gates Foundation）以及全球大学联盟网络（Worldwide Universities Network）的资助。来自光学研究所的团队成员包括：高级科学家 Subash Singh、校友 Ran Wei（2024届博士）、博士生 Luheng Tang 和 Tainshu Xu，以及 Mingjiang Ma。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02315-4