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麻省理工学院的科学家发明了小型海水淡化装置,只有手提箱大小

麻省理工学院的科学家发明了小型海水淡化装置,只有手提箱大小

Ian Mount 2022-09-22
这个发明可以为急需用水的偏远社区、难民和遭受自然灾害的灾民提供便携、可靠和廉价的饮用水。

这台手提箱大小的便携式海水淡化装置原型来自韩宗润教授的实验室,由尹俊昊完成小型化。图片来源:COURTESY OF NONA TECHNOLOGIES

尹俊昊(音译)和来自麻省理工学院(MIT)电子研究实验室(Research Laboratory for Electronics)的科学家团队花费数年,研制出一款便携式海水淡化装置,其体积只有手提箱大小,能够将海水转化成为安全的饮用水。科学家们很早就确定这项技术是可行的,但直到2021年年初,他们才在波士顿的卡尔森海滩进行实际测试。尹俊昊手持一杯经过海水淡化装置处理的海水。他在视频中给自己鼓劲说:“喝掉它!”他仰起头把水喝掉,并对着镜头竖起了大拇指。

Nona Technologies公司的首席执行官布鲁斯·克劳福德表示:“我们开玩笑说,尹俊昊在视频中试喝的样子,有点像是《蜘蛛侠》(Spider-Man)中诺曼·奥斯本亲自测试增强力量的配方。”Nona Technologies是一家位于马萨诸塞州剑桥市的初创公司,由克劳福德与尹俊昊于今年联合创立,旨在销售海水淡化装置。5月,该公司在2022年麻省理工学院10万美元创业大赛(2022 MIT $100K Entrepreneurship Competition)中胜出。该比赛已经举办了32年,从中诞生的Akamai和HubSpot等公司均在之后上市。

大型现代化海水淡化已经有约60年的历史,而且从加州(有十多家海水淡化厂)到西班牙(巴塞罗那的一家工厂供应了20%的地铁饮用水,是欧洲最大的海水淡化厂)以及中东地区(沙特阿拉伯生产了全球五分之一的海水淡化水),都有将海水淡化成饮用水的大型工厂。

工业规模的工厂可以以合理的效率和成本,向城市和农业区供应大量清洁水。尹俊昊和克劳福德共同创立的Nona,旨在将这项技术小型化:为急需用水的偏远社区、难民和遭受自然灾害的灾民提供便携、可靠和廉价的饮用水。目前,全球约十分之一人口没有基本安全的饮用水,相当于7.85亿人,每两分钟就有一名儿童死于与水有关的疾病。

克劳福德表示,该初创公司从成立至今已经有400多位预订用户,收到了150次投资者咨询。

麻省理工学院的电器与生物工程教授韩宗润指出:“工厂化的大型水生成模式并不能解决全世界的用水挑战。很多时候使用它时你可能并不是需要那么多水,但在非常关键的场合、地点和时间你会需要它。在那种情况下,即使少量清洁水也可以产生巨大的影响。”韩宗润教授负责指导尹俊昊,Nona的海水淡化装置也是以韩教授的研究为基础。

离子流

Nona能够追溯到2008年。当时,韩宗润参加了美国军方研究部门美国国防部高级研究计划局(DARPA)的招标。该部门希望在战场上为士兵提供便携的海水淡化装置。

目前使用的所有海水淡化水几乎都来自两种工艺。热海水淡化或蒸馏法是将海水煮沸或蒸发成蒸汽,然后在其他位置凝结成水,剩下的是盐和其他杂质。而反渗透法利用压力将清洁水析出到反渗透膜的一面,另外一面则是含盐水。这两种工艺都需要达到一定规模才可以高效节能,因此不适合小型或便携式装置。

韩宗润并未获得美国国防部高级研究计划局的资助,但他开始研究第三种海水淡化技术电渗析(ED)。

这项技术在水槽中通电,使盐中的负离子(氯离子)和正离子(钠离子)游离到相反方向,并穿过离子交换膜,剩下的就是清洁水。但电渗析存在缺点:交换膜价格昂贵,而众所周知,能够让负离子穿过的负离子交换膜AEM容易堵塞。此外,这种工艺需要大量能量。

传统观念告诉韩宗润,他需要使用两个不同交换膜,同时析出正离子(阳离子)和负离子(阴离子)。但与尹俊昊等博士后研究科学家们经过多年试验后,他意识到,可以仅析出正离子实现海水淡化,避免使用有问题的负离子交换膜,并且需要的能量更少。大自然不允许一个系统仅带有正电荷或负电荷,因此只要清除了一个区域的正离子,负离子也会随之消失。

图片来源:COURTESY OF NONA TECHNOLOGIES

韩宗润解释说:“最终,[负离子]也会被排斥。因此通过交换膜仅吸出[正离子],就能够在交换膜附近形成这种无离子空间。”

德国萨尔大学(Saarland University)的材料科学教授福尔克尔·普雷瑟称:“这是一项出色的技术,因为它实际上是通过交换膜排斥离子,而不是将离子吸过交换膜。”他认为这项技术“至少很有前途”。

产品商业化

六年前,尹俊昊开始参与韩宗润的研究,他开发了名为离子浓度极化(Ion Concentration Polarization)的技术,但这种技术既不节能也不便携。尹俊昊致力于将其变成一种可行的商业化产品,通过缩小海水淡化装置的尺寸和提高效率,使其可以使用现有的小型太阳能面板运行,并且能够装在手提箱内。他说:“这是我的贡献。”

韩宗润和尹俊昊在今年早些时候成立了一家公司Nona,开始销售海水淡化装置,由韩宗润作为外部顾问,尹俊昊担任技术负责人。尹俊昊又找到了曾经任职于电动汽车厂商Rivian的克劳福德,负责公司的运营。两人曾经居住的麻省理工学院研究生宿舍相邻,不过克劳福德是MBA学生,而且两人都有2岁大的女儿。

目前,Nona的第一款海水淡化装置每小时可以提供1升清洁水,足够一个人饮用,所需要的电力低于手机充电器。克劳福德表示,到2024年晚些时候,公司将推出一款每小时淡化5升的型号,能够供家庭或小型军事单位使用。

克劳福德称,目前其产品的售价为3,000美元至4,000美元,但在未来三至五年,Nona不需要按照零售价从亚马逊(Amazon)上采购零部件后,可以将价格降低到1,500美元以下。

尹俊昊和克劳福德表示,便携式海水淡化装置市场已经非常火爆。

军队是Nona最明确的直接客户,美国陆军作战能力发展司令部(U.S. Army Combat Capabilities Development Command)已经为其提供了600,000美元资金。但该公司还引起了联合国儿童基金会(UNICEF)等人道主义救援组织的兴趣,希望这种皮卡车车厢大小的装置能够为数百人供水;另外,船员、末日准备者以及与印度和马达加斯加等国家偏远地区的人们合作的人也很感兴趣。这些地区的地下水含盐量过高无法饮用。

克劳福德称:“印度中等收入家庭愿意为一台净水设备支付200美元。”

图片来源:COURTESY OF NONA TECHNOLOGIES

许多潜在投资者对这种工艺的工业化应用很感兴趣,但尹俊昊和克劳福德一直在避免进入这个市场。

克劳福德表示:“现在我们可以以较小的规模获胜,在中期我们能够用中等规模取胜,但我们远没有参与大规模竞争的能力。”

克劳福德称,公司计划在明年春天融资,以帮助其度过到成功商业化之前的18个月。

最后,尹俊昊希望不是只有自己喝过Nona的成果。他说:“我的最终目标是让我的女儿也尝一尝。”(财富中文网)

译者:刘进龙

审校:汪皓

尹俊昊(音译)和来自麻省理工学院(MIT)电子研究实验室(Research Laboratory for Electronics)的科学家团队花费数年,研制出一款便携式海水淡化装置,其体积只有手提箱大小,能够将海水转化成为安全的饮用水。科学家们很早就确定这项技术是可行的,但直到2021年年初,他们才在波士顿的卡尔森海滩进行实际测试。尹俊昊手持一杯经过海水淡化装置处理的海水。他在视频中给自己鼓劲说:“喝掉它!”他仰起头把水喝掉,并对着镜头竖起了大拇指。

Nona Technologies公司的首席执行官布鲁斯·克劳福德表示:“我们开玩笑说,尹俊昊在视频中试喝的样子,有点像是《蜘蛛侠》(Spider-Man)中诺曼·奥斯本亲自测试增强力量的配方。”Nona Technologies是一家位于马萨诸塞州剑桥市的初创公司,由克劳福德与尹俊昊于今年联合创立,旨在销售海水淡化装置。5月,该公司在2022年麻省理工学院10万美元创业大赛(2022 MIT $100K Entrepreneurship Competition)中胜出。该比赛已经举办了32年,从中诞生的Akamai和HubSpot等公司均在之后上市。

大型现代化海水淡化已经有约60年的历史,而且从加州(有十多家海水淡化厂)到西班牙(巴塞罗那的一家工厂供应了20%的地铁饮用水,是欧洲最大的海水淡化厂)以及中东地区(沙特阿拉伯生产了全球五分之一的海水淡化水),都有将海水淡化成饮用水的大型工厂。

工业规模的工厂可以以合理的效率和成本,向城市和农业区供应大量清洁水。尹俊昊和克劳福德共同创立的Nona,旨在将这项技术小型化:为急需用水的偏远社区、难民和遭受自然灾害的灾民提供便携、可靠和廉价的饮用水。目前,全球约十分之一人口没有基本安全的饮用水,相当于7.85亿人,每两分钟就有一名儿童死于与水有关的疾病。

克劳福德表示,该初创公司从成立至今已经有400多位预订用户,收到了150次投资者咨询。

麻省理工学院的电器与生物工程教授韩宗润指出:“工厂化的大型水生成模式并不能解决全世界的用水挑战。很多时候使用它时你可能并不是需要那么多水,但在非常关键的场合、地点和时间你会需要它。在那种情况下,即使少量清洁水也可以产生巨大的影响。”韩宗润教授负责指导尹俊昊,Nona的海水淡化装置也是以韩教授的研究为基础。

离子流

Nona能够追溯到2008年。当时,韩宗润参加了美国军方研究部门美国国防部高级研究计划局(DARPA)的招标。该部门希望在战场上为士兵提供便携的海水淡化装置。

目前使用的所有海水淡化水几乎都来自两种工艺。热海水淡化或蒸馏法是将海水煮沸或蒸发成蒸汽,然后在其他位置凝结成水,剩下的是盐和其他杂质。而反渗透法利用压力将清洁水析出到反渗透膜的一面,另外一面则是含盐水。这两种工艺都需要达到一定规模才可以高效节能,因此不适合小型或便携式装置。

韩宗润并未获得美国国防部高级研究计划局的资助,但他开始研究第三种海水淡化技术电渗析(ED)。

这项技术在水槽中通电,使盐中的负离子(氯离子)和正离子(钠离子)游离到相反方向,并穿过离子交换膜,剩下的就是清洁水。但电渗析存在缺点:交换膜价格昂贵,而众所周知,能够让负离子穿过的负离子交换膜AEM容易堵塞。此外,这种工艺需要大量能量。

传统观念告诉韩宗润,他需要使用两个不同交换膜,同时析出正离子(阳离子)和负离子(阴离子)。但与尹俊昊等博士后研究科学家们经过多年试验后,他意识到,可以仅析出正离子实现海水淡化,避免使用有问题的负离子交换膜,并且需要的能量更少。大自然不允许一个系统仅带有正电荷或负电荷,因此只要清除了一个区域的正离子,负离子也会随之消失。

韩宗润解释说:“最终,[负离子]也会被排斥。因此通过交换膜仅吸出[正离子],就能够在交换膜附近形成这种无离子空间。”

德国萨尔大学(Saarland University)的材料科学教授福尔克尔·普雷瑟称:“这是一项出色的技术,因为它实际上是通过交换膜排斥离子,而不是将离子吸过交换膜。”他认为这项技术“至少很有前途”。

产品商业化

六年前,尹俊昊开始参与韩宗润的研究,他开发了名为离子浓度极化(Ion Concentration Polarization)的技术,但这种技术既不节能也不便携。尹俊昊致力于将其变成一种可行的商业化产品,通过缩小海水淡化装置的尺寸和提高效率,使其可以使用现有的小型太阳能面板运行,并且能够装在手提箱内。他说:“这是我的贡献。”

韩宗润和尹俊昊在今年早些时候成立了一家公司Nona,开始销售海水淡化装置,由韩宗润作为外部顾问,尹俊昊担任技术负责人。尹俊昊又找到了曾经任职于电动汽车厂商Rivian的克劳福德,负责公司的运营。两人曾经居住的麻省理工学院研究生宿舍相邻,不过克劳福德是MBA学生,而且两人都有2岁大的女儿。

目前,Nona的第一款海水淡化装置每小时可以提供1升清洁水,足够一个人饮用,所需要的电力低于手机充电器。克劳福德表示,到2024年晚些时候,公司将推出一款每小时淡化5升的型号,能够供家庭或小型军事单位使用。

克劳福德称,目前其产品的售价为3,000美元至4,000美元,但在未来三至五年,Nona不需要按照零售价从亚马逊(Amazon)上采购零部件后,可以将价格降低到1,500美元以下。

尹俊昊和克劳福德表示,便携式海水淡化装置市场已经非常火爆。

军队是Nona最明确的直接客户,美国陆军作战能力发展司令部(U.S. Army Combat Capabilities Development Command)已经为其提供了600,000美元资金。但该公司还引起了联合国儿童基金会(UNICEF)等人道主义救援组织的兴趣,希望这种皮卡车车厢大小的装置能够为数百人供水;另外,船员、末日准备者以及与印度和马达加斯加等国家偏远地区的人们合作的人也很感兴趣。这些地区的地下水含盐量过高无法饮用。

克劳福德称:“印度中等收入家庭愿意为一台净水设备支付200美元。”

许多潜在投资者对这种工艺的工业化应用很感兴趣,但尹俊昊和克劳福德一直在避免进入这个市场。

克劳福德表示:“现在我们可以以较小的规模获胜,在中期我们能够用中等规模取胜,但我们远没有参与大规模竞争的能力。”

克劳福德称,公司计划在明年春天融资,以帮助其度过到成功商业化之前的18个月。

最后,尹俊昊希望不是只有自己喝过Nona的成果。他说:“我的最终目标是让我的女儿也尝一尝。”(财富中文网)

译者:刘进龙

审校:汪皓

Junghyo Yoon and a team of scientists from MIT’s Research Laboratory for Electronics had spent years building a portable desalinator the size of a briefcase that would turn seawater into water safe enough to drink. They knew it worked, but the real test of the technology came on Boston’s Carson Beach in early 2021. Yoon held a glass of seawater that had just run through the desalinator. “Just drink it!” he says, pumping himself up in a video of the moment. He tips his head back, sips the water, and gives the camera a thumbs-up.

“We joke that Junghyo tasting the water in that video was a bit like Norman Osborne testing the strength-enhancing formula on himself in Spider-Man,” says Bruce Crawford, the CEO of Nona Technologies, the Cambridge, Mass.-based startup he and Yoon founded this year to commercialize the desalinator. In May, Nona won the 2022 MIT $100K Entrepreneurship Competition, a 32-year-old contest that has recognized future public companies such as Akamai and HubSpot.

Large-scale modern desalination has been around for some 60 years, and huge factory-size plants are turning seawater into drinking water, from California (where there are a dozen desalination facilities) to Spain (where a Barcelona plant, Europe’s largest, supplies 20% of the metro drinking water) to the Middle East (where Saudi Arabia produces a fifth of the world’s desalinated water).

Industrial-size plants can pump out massive amounts of clean water to urban and farming areas at reasonable efficiency and cost. Yoon and Crawford founded Nona to translate that technology to a smaller scale: to provide portable, reliable, cheap drinking water to the isolated communities, refugees, and victims of natural disasters who desperately need it. Today, one in 10 people globally—785 million—do not have access to basic safe drinking water, and every two minutes a child dies from a water-related disease.

Since launching, the startup has added 400 people to its preorder waitlist and has received 150 queries from interested investors, Crawford says.

“The large-scale, plant-based water generation model is not solving all of the water challenges of the world,” says Jongyoon Han, the electrical and biological engineering professor at MIT who oversaw Yoon’s work and on whose research the Nona’s desalinator is based. “There are a lot of applications where you don’t really need that much water, but you need it at a very critical juncture, and location, and point in time—where even a very small amount of clean water would make a huge difference.”

Ions flow

Nona’s origins stretch back to 2008, when Han responded to a call for proposals from the U.S. military research agency DARPA. It wanted portable desalination devices for soldiers in the field.

Two processes account for nearly all desalinated water used today. In thermal desalination or distillation, water is boiled or evaporated into steam that is later condensed back into water in another location, a process that leaves behind the salt and other contaminants. In reverse osmosis, pressure filters clean water to one side of a membrane and salty brine to the other. Both processes need to be large to be energy-efficient, making them unsuitable for small-scale or portable installations.

Han didn’t win the DARPA grant, but he began researching a third desalination technique called electrodialysis (ED).

In ED, an electrical charge applied to a water channel pulls salt’s negative (chloride) and positive (sodium) ions to opposite sides where they pass through membranes, leaving clean water behind. But ED has shortcomings: The membranes are expensive and the ones that let through the negative ions—called AEMs—are notorious for getting clogged. Plus, the process demands plenty of energy.

Conventional wisdom told Han that he needed to pull both positive ions (cations) and negative ones (anions) at the same time, using two different membranes. But after years of experiments with postdoc research scientists like Yoon, Han realized he could desalinate water by pulling only the positive ions, eliminating the need for troublesome AEMs and requiring less energy. Nature doesn’t tolerate a system that is only positively or negatively charged, so if you remove all the positive ions from an area, the negative ones will vacate the area too.

“What ends up happening is the [negative ions] are also repelled from the region,” Han explains. “So, by pumping only the [positive ions] through the membrane, you create this ion-free region near the membrane.”

“It’s a beautiful technology, because it actually repels ions away from the membrane rather than sucking it through,” says Volker Presser, a professor of materials science at Germany’s Saarland University, who describes the technology as “at least very promising.”

Commercializing the briefcase

When Yoon began working with Han six years ago, the MIT professor had developed the technology—known as Ion Concentration Polarization (ICP)—but it was neither energy-efficient nor easily portable. Yoon dedicated himself to making it a viable commercial product by shrinking the desalinator’s size and improving its efficiency to the point that it can now run on a small off-the-shelf solar panel and fit in a suitcase. “That is my contribution,” Yoon says.

Han and Yoon launched a company, Nona, to sell the desalinator earlier this year, with Han as outside adviser and Yoon as the technology lead. Yoon brought in Crawford, who previously worked at electric carmaker Rivian, to run the business side of things. The two had lived across the hall in graduate housing at MIT, where Crawford is an MBA student, and bonded over both having 2-year-old daughters.

Today, Nona’s first desalinators can provide one liter of clean water an hour—enough for one person—and require less electricity than a cell phone charger. By late 2024, Crawford says the company should have a five-liter-per-hour model, which would be useful for a family or small military unit.

Right now, the units cost $3,000 to $4,000, Crawford says, but Nona should be able to lower the price below $1,500 in three to five years by moving away from retail-priced components bought on Amazon.

Yoon and Crawford say the market for a portable desalinator is already hot.

The military is Nona’s clearest immediate customer—the U.S. Army Combat Capabilities Development Command (DEVCOM) has provided $600,000 in funding—but interest has come from humanitarian aid agencies like UNICEF that want pickup-truck-bed-size units to supply a few hundred people; and from boaters, apocalypse preppers, and those who work with people in remote areas of countries like India and Madagascar, where the groundwater is too brackish to drink.

“Middle-income households in India are comfortable to pay $200 for a device to clean their water,” says Crawford.

Many potential investors have expressed interest in using the process at an industrial scale, but that is a market Yoon and Crawford have so far avoided.

“We can win today at small scale and in medium term we can win at medium scale—a town—but we’re far from competing at the large scale,” Crawford says.

The company plans to raise funds from investors in the spring to carry it 18 months through to commercialization, Crawford says.

In the end, Yoon hopes he won’t be the only one chugging Nona’s output. “My ultimate goal is to give the water to my daughter,” he says.

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