太陽能或將助力實現海水淡化？

在人類面臨的眾多資源危機中，淡水危機可謂是“老大難”。5年前，由3萬多名海洋科技工作者歷時8年多完成的“我國近海海洋綜合調查與評價”專項顯示：我國11個沿海省（自治區、直轄市）所轄的52個沿海城市中，極度缺水的有18個、重度缺水10個、中度缺水9個、輕度缺水9個，近90%的城市存在不同程度缺水問題。面朝大海，這些城市為何缺水如此嚴重？

一直以來，淡水資源本身的稀缺與海水淡化成本之高昂，使得我們一直無法攻克這一難關。不過，最近聽說美國科學家利用普通納米炭黑粒子，只靠太陽能實現海水淡化，這又是什麼操作？

 據悉，美國賴斯大學研究人員在新一期美國《國家科學院學報》上報告說，這是該校納米技術水處理中心第一項重大創新，結合了膜蒸餾技術與納米光子學——一層添加了納米粒子的聚合物材料，能讓海水淡化濾膜具備吸收陽光、自行加熱海水的功能，使淡化過程無須用電。

 研究人員利用市面上普通的納米炭黑粒子，結合多孔聚合物研制出一層特殊材料，放置在濾膜表面。這層材料能吸收80％的陽光能量，只通過太陽能就可以加熱海水、產生水蒸氣。

種膜蒸餾技術由於無須把海水加熱到沸騰的程度，能耗比傳統的熱蒸餾要低，若大規模使用，節約的成本想必十分可觀。那麼淡水資源為何這般稀缺？海水淡化又需要經歷怎樣的流程？傳統的技術是什麼樣的？下面我們就來了解一下！

　　淡水資源稀缺，海水淡化刻不容緩

我們常說我們的地球是個水球，到處都是水，但供人類生存發展使用的淡水卻少得可憐。全球水量中，97％是不能飲用、不能灌溉、不能洗滌的海水，剩下3％的淡水的絕大部分又凍結在極地、高山的冰雪中。深埋在地下、懸浮於空氣中的淡水也無法直接利用。 其結果是，大約只有0．007％的存在於江、河、湖泊、水庫和淺地層中的淡水是人類可以利用的。

                  全球淡水資源分布圖（來源網絡） 

 由於淡水分布的不均勻，地球陸地本來就有60％的地方是缺水地區和根本無水的沙漠。目前，全世界大約三分之一的人口生活在缺水狀態中。據預測，到2025年，全世界三分之二的人口將生活在缺水狀態中。　

淡水危機如此嚴重是不奇怪的——3000年前的銅器時代，全球人口不過兩三千萬，現已突破60億。為滿足最低需要，一人一天要喝2至2.5升水，為保證一人一天所需，古代人一兩擔(50升)水就足夠了，而現代城市居民，一天每人沒有300升水，就不能保持生活的需要；現代農業、工業也都消耗大量淡水，沒有水，工農業便不能發展。淡水缺乏如此急迫，向海洋索取淡水成為刻不容緩的任務。　　

　　海水淡化：百年追求的夢想

海水淡化是人類追求了幾百年的夢想。早在世界大航海時代，英國王室就曾懸賞征求經濟合算的海水淡化方法，但是，至今尚無人得到這一獎賞。因為到目前為止，海水淡化的方法雖然有了320多種，但還沒有一種達到該獎賞規定的“物美價廉”的標准。

不過“物美價廉”、“經濟合算”也是相對而言的。以石油為能源，從海水生產出來的淡水，可能比油還貴，可是在特定情況下，還是值得的。比如，大航海時代就已經有蒸餾器供遠航帆船應急之用；輪船時代，幾乎所有遠洋商船和作戰艦艇上都安裝了應急的海水淡化設備。

此外，一些小型海島，在國防、科學研究、資源開發方面地位十分重要。為保證駐島人員的生活，除從大陸運送淡水外，安裝代價昂貴的海水淡化裝置也是必要的。

而在盛產石油、經濟富有的中東國家，大多是干旱的沙漠地區。在這樣的地區，水比油貴並不認為是不合算的。他們花費一些石油和金錢，大規模淡化海水，供應人們的生活，澆灌樹木花草，美化環境。他們覺得這是很值得的。

海水淡化技術的發展

20世紀50年代以後，海水淡化作為一門現實的應用技術，發展迅速。在已經開發的二十幾種淡化技術中，蒸餾法、電滲析法、反滲透法都達到了工業規模的生產應用。　

電滲析淡化法是使用一種特別制造的薄膜實現的。

在電力作用下，海水中鹽類的正離子穿過陽膜跑向陰極方向，不能穿過陰膜而留下來；負離子穿過陰膜跑向陽極方向，不能穿過陽膜而留下來。這樣，鹽類離子被交換走的管道中的海水就成了淡水，而鹽類離子留下來的管道裡的海水就成了被濃縮了的鹵水。　

                 電滲析淡化法原理示意圖（來源網絡）

反滲透淡化法更加絕妙。它使用的薄膜叫“半透膜”。半透膜的性能是只讓淡水通過，不讓鹽分通過。如果不施加壓力，用這種膜隔開鹹水和淡水，淡水就自動地住鹹水那邊滲透。我們通過高壓泵，對海水施加壓力，海水中的淡水就透過膜到淡水那邊去了，因此叫做反滲透，或逆滲透。

 

                     反滲透法原理示意圖

蒸餾法的原理很簡單，就是我們在實驗室裡制備蒸餾水的原理。把海水燒到沸騰，淡水蒸發為蒸汽，鹽留在鍋底，蒸汽冷凝為蒸餾水，即是淡水。

                         蒸餾法（來源網絡）

　這種古老的海水淡化方法，消耗大量能源，產生大量鍋垢，很難大量生產淡水。現代多級閃急蒸餾淡化使古老的蒸餾法煥發了青春。

 

                       多級閃蒸（圖片來源網絡）

水在常規氣壓下，加熱到100℃才沸騰成為蒸汽。如果使適當加溫的海水進入真空或接近真空的蒸餾室，便會在瞬間急速蒸發為蒸汽。利用這一原理，可以做成多級閃急蒸餾海水淡化裝置。

可見，百年以來，人們一直在尋找各種各樣的方法淡化海水，以克服淡水資源緊缺的威脅，而我們新聞中所提到的膜蒸餾技術與納米光子學結合的海水淡化法，則又是新的進步與鼓勵，希望我們能早日求得解決之法，不過在這個問題徹底解決之前，小編還是例行提倡：節約用水，人人有責！

出品：科普中國

制作：山夕團隊 黨以凡

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