《ACS Central Science》：Meet a Chemist Repurposing Tech from the 1850s to Fight Water Scarcity
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海水淡化领域，澳大利亚国立大学Juan Felipe Torres团队研发的多通道热扩散技术突破传统反渗透（RO）高能耗及高盐废液污染海洋的瓶颈。该技术利用温度梯度驱动盐分自发迁移，结合模块化信道设计提升分离效率，能耗仅为RO的十分之一且无需复杂制造工艺，可适配数据中心废热等低温热源，同时拓展至锂提取（替代蒸发池节省90%土地）、强酸碱浓缩等化工领域，实现水回收率近100%的零液体排放（ZLD）目标。
随着气候变化导致天气更加炎热干燥，以及人口激增对干旱地区有限的水资源造成压力，越来越多的城市和国家开始转向海水淡化以满足淡水需求。预计到2030年，全球对淡化海水的需求将翻一番。目前有超过
21,000座海水淡化厂在运行，而2008年这一数字为
14,000座。
胡安·费利佩·托雷斯（Juan Felipe Torres）展示他的热扩散装置。托雷斯在帮助清理福岛核事故污染的水后，开发出了利用热扩散技术进行海水淡化的方法。图片来源：Jamie Kidston/澳大利亚国立大学。
但大多数海水淡化厂使用的技术称为
反渗透，这种技术能耗较高，并可能对海洋环境造成损害。它需要大量电力（通常通过燃烧化石燃料产生）来推动水通过膜分离盐分和氢分子，产生的高浓度盐水作为副产品被排放回海洋。
澳大利亚国立大学的研究员胡安·费利佩·托雷斯开发了一种新的海水淡化技术，他认为这项技术可以同时解决上述问题。该技术基于热扩散原理，这一原理自19世纪50年代就已为人所知，但由于速度太慢而无法在实际应用中发挥作用。经过托雷斯的改进，这一技术的效率大大提高。他正在申请专利并通过自己的公司Soret Technologies将其推广到各个行业。
戴安娜·克鲁兹曼（Diana Kruzman）与托雷斯讨论了在某些情况下热扩散技术如何优于反渗透技术，以及它如何应用于锂矿开采和化学工程领域。本文经过编辑以缩短篇幅并提高清晰度。
全球海水淡化行业目前仍依赖一种非常古老的技术——反渗透。世界上第一座商用反渗透海水淡化厂于60年前在加利福尼亚建成。然而60年过去了，这项技术并未完全解决我们的淡水需求问题，全球仍有超过10亿人面临水资源短缺的困扰。因此，我们目前使用的技术已经过时，无法满足现实需求。
尽管反渗透技术的能源效率很高，但长期使用存在风险：膜会老化且难以维护。此外，反渗透产生的盐水浓度极高（是海水的两倍），排放到海洋后会对海洋环境造成严重影响。
热扩散是指在温度梯度存在的情况下，离子或溶解固体发生迁移的现象。当一侧温度较高、另一侧温度较低时，这些物质会向温度较低的一侧移动。以海水为例，氯化钠离子会自发地向低温侧移动。
热扩散如何淡化海水：热扩散利用氯化钠离子的自然性质，使其自发地向低温侧移动（如图所示）。托雷斯的装置通过多个通道结合使用来增强分离效果。图片来源：Yang H. Ku/C&EN。
福岛第一核电站事故后几年，我开始在东芝公司工作。当时东芝负责清理核事故产生的受污染水源。在研究过程中，我发现热扩散技术曾被用于曼哈顿计划中的铀浓缩过程（第一颗原子弹的铀就是通过热扩散法富集的）。这一背景，加上清理含有核废料的水的需求，促使我进一步研究了热扩散技术作为分离方法的潜力。
热扩散技术之前未被用于海水淡化，是因为其效果较为微弱，需要很长时间才能产生显著的浓度差异。因此，工程上的挑战在于如何在保持50%或更高分离效率的同时提高热扩散效果，同时不降低能源效率。
我们的发明正是为了解决这一问题。我们采用了多通道热扩散技术，通过多层通道结构实现高效分离，这种结构可以通过3D打印或注塑成型制造。
水流经一个矩形通道，通道顶部为高温区，底部为低温区。离子会自发地向低温区移动。当水流到达通道末端时，高浓度溶液向右流动，低浓度溶液向左流动，然后通过相邻通道再次进行热扩散分离。最终，分离效果得到显著提升。
该技术使用常规制造工艺和材料即可实现大规模生产。我们不需要复杂的制造工艺或化学合成技术，只需注塑成型（类似制作乐高积木的方式），成本低廉。所需材料包括不锈钢等不易被海水腐蚀的材料。
大规模反渗透淡化每生产1立方米淡水需要3至5千瓦时的电能。而我们的技术仅需约300千瓦时的电能。不过，并非所有能源都同等有效。
反渗透依赖高能耗泵产生的压力差驱动分离过程。而我们的技术利用热量（低于100°C的低温热量），这些热量可以来自数据中心或中等/低温工业过程。
我们希望热扩散技术能成为应对气候变化的有效手段。像约翰内斯堡或墨西哥城这样的人口密集城市经常面临“水资源枯竭”的风险。我们提出的混合反渗透-热扩散系统可以将盐水处理后的回收率提高到接近100%（即实现零液体排放，仅产生固体废物）。这将为这些大城市提供可靠的淡水供应，对于应对气候变化至关重要。
在工业领域，我们希望取代两种传统技术：一是蒸发池（需要数月时间让海水或锂盐蒸发），二是传统的化学提取方法。我们的技术成本更低，具有巨大的资源回收潜力。我们还在研究钾盐（肥料）的提取。
从化学工程角度来看，该技术可用于浓缩强酸和强碱（如氢氧化钠）。我们已经证明多通道热扩散技术可将氢氧化钠浓度提高50%，这在工业中有广泛应用前景。
