環(huán)保技術(shù)：淡化技術(shù)將含鹽水轉(zhuǎn)化為新鮮淡水。出于對水資源匱乏的擔(dān)憂，淡化技術(shù)會(huì)是一個(gè)快捷的技術(shù)解決途徑嗎？
地球上有廣袤的水資源，但不幸的是其中超過97%是高含鹽水，不適宜人類直接飲用；剩下的只有部分是容易提取的江河湖泊水和地表水。氣候變化、干旱、人口的增長和工業(yè)用水的增加使得新鮮淡水的有效供應(yīng)日益趨緊。根據(jù)聯(lián)合國公布的數(shù)據(jù)，目前全球超過10億人口居住在水資源稀缺地區(qū)，而到2025年，這個(gè)數(shù)字會(huì)攀升到18億。
從海洋中取水
海水淡化技術(shù)是個(gè)經(jīng)受過時(shí)間考驗(yàn)但又是個(gè)昂貴的生產(chǎn)淡水辦法：去除海水中溶解的鹽分。這種技術(shù)的吸引力是顯而易見的。地球上廣袤的海洋，可以給人類提供事實(shí)上無窮無盡且永不干涸的水資源。“如果我們有朝一日能以具有競爭力地——以較低成本——從鹽水中提取淡水，”近50年前約翰.肯尼迪總統(tǒng)評述道，“那將是人類長久的福祉，也會(huì)使得其他任何科學(xué)成就相形見絀。”
根據(jù)國際淡化協(xié)會(huì)（InternationalDesalinationAssociation）提供的最新數(shù)據(jù)，全球現(xiàn)今有13080座海水淡化廠在工作。他們總共的產(chǎn)能是日均5,560萬立方米可飲用水——只相當(dāng)于0.5%的全球用水量。他們中的一半產(chǎn)能在中東。因?yàn)楹Ｋ枰拇罅康哪茉，其成本大概?shù)倍于從江河或地表取水產(chǎn)生的費(fèi)用，因此過去淡化技術(shù)主要局限在富油國使用，那些地區(qū)有廉價(jià)能源但是淡水資源匱乏。
但如今情況有了些轉(zhuǎn)變。隨著世界上更多的區(qū)域面臨延長的干旱期或者水資源匱乏，淡水技術(shù)利用率在提高。光是在加利福尼亞州，已經(jīng)提議建設(shè)大約20座海水淡化廠，包括在圣地亞哥附近的一座將耗資3億美元的淡化裝置。一些澳大利亞城市正在規(guī)劃或者開工建設(shè)大型的淡化廠，其中最大的一座在墨爾本附近，預(yù)計(jì)將耗資29億美元。甚至倫敦也在修建一座淡化廠。根據(jù)全球水資源情報(bào)（GlobalWaterIntelligence）——一家市場調(diào)研公司——實(shí)施的項(xiàng)目得知，到2015年，全球淡化產(chǎn)能將比現(xiàn)在翻倍。
不是每個(gè)人都樂見此事。一些環(huán)保組織擔(dān)憂淡化廠使用的能源，他們會(huì)排出溫室氣體。一個(gè)大型淡化廠一年消耗的電力相當(dāng)于3萬戶居民的耗電量。
也有好消息：技術(shù)和制造上的進(jìn)步已經(jīng)減少淡化廠的成本和能耗。而且很多新廠遵從嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。澳大利亞Perth附近的一個(gè)新建廠，使用附近風(fēng)力發(fā)電廠出產(chǎn)的可再生能源——風(fēng)電。另外，該廠的現(xiàn)代化海水進(jìn)水系統(tǒng)和廢水排水系統(tǒng)均能把對海洋生物的影響最小化。位于Perth的西澳大利亞大學(xué)的水研究中心副主任JasonAntenucci稱贊該廠“為澳大利亞其他淡化廠樹立了榜樣”。
古代就有從海水中去除鹽分的故事和傳奇。但直到16世紀(jì)人們才開始一致努力從海水中提取淡水，當(dāng)時(shí)歐洲探險(xiǎn)家在進(jìn)行漫長的航海旅行時(shí)，開始在船上安裝簡易淡化裝置，以備不時(shí)之需。這些裝置往往是粗糙而低效的，也就是在爐灶或爐上煮沸海水。
淡化技術(shù)的重要突破來自制糖工業(yè)。為了生產(chǎn)結(jié)晶糖，需要消耗大量的燃料加熱糖液，以蒸發(fā)掉其中的水分。大約1850年左右，一位名叫NorbertRillieux的美國工程師在高效精煉糖方面發(fā)明了數(shù)項(xiàng)專利。他的方法如今稱為多效蒸餾法，包括一個(gè)級聯(lián)的多腔系統(tǒng)，各腔之間壓力遞減。這意味著水的沸點(diǎn)也遞減。因此，第一個(gè)腔中產(chǎn)生的水蒸氣中的熱可以在第二個(gè)腔中循環(huán)利用以加熱其中的水使其蒸發(fā)，如此進(jìn)行下去。
不要鹽分，謝謝！
這種技術(shù)可以降低精煉糖所需的能量高達(dá)80%，JamesBirkett感嘆道，他是位于緬因州Nobleboro一個(gè)淡化顧問組織WestNeckStrategies的成員。但是50年之后，這個(gè)技術(shù)才從制糖工業(yè)移植到其他工業(yè)。直到19世紀(jì)晚期，多效蒸餾法用于淡化海水才開始在輪船上或者在貧水國家諸如也門和蘇丹得到應(yīng)用。
許多應(yīng)用多效蒸餾法的工廠是在20世紀(jì)上半葉成立，但是這個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)缺陷妨礙了它的大規(guī)模應(yīng)用。在熱交換表面上往往會(huì)有礦物質(zhì)沉淀，而這阻礙了能量的傳輸。1950年代，一種新型的熱法淡化工藝，稱之為多級閃蒸法，減輕了這個(gè)問題。這種方法首先在高壓下加熱海水，然后將之送入一系列壓力遞減的腔，在每個(gè)步驟上，都導(dǎo)致其中部分海水蒸發(fā)或者“閃”掉。凝聚的海水留在腔的底部，淡水蒸汽聚集在上部。因?yàn)檎舭l(fā)不在熱交換表面上發(fā)生，因此極少礦物質(zhì)沉淀下來。
富油貧水的中東國家很快就采用多級閃蒸技術(shù)。因?yàn)樾枰獰崃，所以許多淡化裝置都修建在發(fā)電廠附近，這會(huì)產(chǎn)生過剩熱。曾有一度，淡水和電力的聯(lián)合生產(chǎn)統(tǒng)治了淡化工業(yè)。
從1950年代開始，人們開始研究從海水中去除鹽分的新方法。美國政府組建了一個(gè)鹽水辦公室（OfficeofSalineWater）來支持淡化技術(shù)研究。佛羅里達(dá)大學(xué)和加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的科學(xué)家開始研究薄膜辦法，這種薄膜能滲透水，但是阻止鹽分滲透。
從海洋中取水
在自然界中這種薄膜是很普遍的。當(dāng)在一個(gè)半透膜（比如細(xì)胞壁）的一邊放上鹽溶液，另一邊放上低含鹽溶液，水就會(huì)擴(kuò)散穿過半透膜從低含鹽邊進(jìn)入高含鹽邊。這個(gè)過程，也就是傾向于平衡兩個(gè)溶液的含鹽量的過程，稱之為滲透性。研究者想知道，在高含鹽溶液上加壓，是否會(huì)使?jié)B透過程逆反進(jìn)行，致使水分子反方向擴(kuò)散穿過薄膜，使得高含鹽溶液的含鹽量更高。
最初的努力只取得有限的成功，產(chǎn)生了數(shù)量很少的淡水。轉(zhuǎn)變發(fā)生在1960年，UCLA的SidneyLoeb和SrinivasaSourirajan使用他們自己制備的醋酸纖維素薄膜，這是一種用在攝影相片上的聚合物。他們的新薄膜大幅度改善了通量（給定尺寸的薄膜上水分子擴(kuò)散通過率）。1965年，在加州Coalinga誕生了一座小型的應(yīng)用“逆滲透法”淡化海水的工廠。
熱法淡化海水所需要的能量與源水中的含鹽量關(guān)系不大，但是在逆滲透法中所需的能量卻與含鹽量直接相關(guān)。越咸的水，壓制水分子通過薄膜以去除鹽分所需的壓力（因此也就是所需的能量）越大。每升海水通常含有33-37克溶解鹽。為了使之能飲用，這些鹽中的將近99%必須去除。因?yàn)橄趟}量比海水低，所以淡化它不需要大量能源，因此成本也相對較低。故而，逆滲透法首先應(yīng)用于處理咸水。
另外一個(gè)重要區(qū)別是，逆滲透法不像熱蒸餾法，需要對來水進(jìn)行大規(guī)模預(yù)處理。應(yīng)用逆滲透法的工廠使用過濾器和化合物去除會(huì)堵塞薄膜的微粒，且薄膜也必須定期清洗，以減少結(jié)垢和污垢。
從海洋中取水
一切都在向好
1970年代晚期，在美國中西部研究所和薄膜技術(shù)公司身兼兩職的JohnCadotte發(fā)明了一種改進(jìn)薄膜，這種薄膜通過在一個(gè)多孔支撐材料上兩種化合物的交聯(lián)反應(yīng)生成。他發(fā)明的復(fù)合薄膜包含一層很薄的聚酰胺，起隔離作用，其下方還包含一個(gè)穩(wěn)固支撐結(jié)構(gòu)。由于這種薄膜既能提高水通量，又能容忍pH值和溫度變化，因此它開始主導(dǎo)工業(yè)界。差不多與此同時(shí)，第一批采用逆滲透法修建的海水工廠開始出現(xiàn)。這些早期的工廠需要大量的能源。1980年，第一個(gè)大型市政海水工廠出現(xiàn)在沙特的吉達(dá)，它每生產(chǎn)一立方米飲用水需要消耗8千瓦時(shí)能量。
后來這些工廠的耗能急劇下降，這主要應(yīng)歸功于能量再生設(shè)備的應(yīng)用。高壓泵迫使海水頂在薄膜上，薄膜在管道里通常設(shè)置成螺旋狀，以提高對來水的接觸面積，故而優(yōu)化通過薄膜的水通量。大約會(huì)有一半體積的淡水出現(xiàn)在另一邊。而剩下的高鹽分廢液，則用高壓從系統(tǒng)中抽走。如果高壓廢液貫穿渦輪或轉(zhuǎn)子，能量可以被回收然后用于給進(jìn)來的海水加壓。
1980年代，能量回收設(shè)備大約只有75%的回收效率，但較新的設(shè)備可以從廢液中回收大約96%的能量。結(jié)果是，在逆滲透法進(jìn)行海水淡化中所需的能量已經(jīng)降低。據(jù)GaryCrisp所說，Perth淡化廠采用位于加州的一家企業(yè)EnergyRecovery的回收技術(shù)，它每生產(chǎn)一立方米飲用水的能耗只有3.7千瓦時(shí)，GaryCrisp為一家本地公用事業(yè)公司——自來水公司——協(xié)助監(jiān)督工廠的設(shè)計(jì)。采用熱法技術(shù)的工廠消耗的電力也差不多如此，但是同樣需要大量的水蒸氣。“只有在建造成能利用非常低的成本或者廢熱，采用熱法的工程才有實(shí)際意義，”TomPankratz說道，他是德克薩斯州的一個(gè)水資源顧問，兼任國際海水淡化協(xié)會(huì)董事會(huì)成員。
經(jīng)濟(jì)成規(guī)模化，更優(yōu)化的薄膜和改進(jìn)的能量再生能力，有助于降低采用逆滲透法淡化海水的成本。即便淡化廠的成本和采水都與所在地密切相關(guān)，也與當(dāng)?shù)刭Y本和業(yè)務(wù)（operations）成本相關(guān)，每立方米的成本還是從1990年代1.50美元降到2003年的0.50美元，Pankratz先生道。顯而易見的結(jié)果是，逆滲透法是當(dāng)今大多數(shù)海水淡化廠的優(yōu)先選項(xiàng)（即使能源和商品價(jià)格的上漲使得每立方米的成本上漲到今天的0.75美元）。然而，專家們估計(jì)，要想通過提高能源回收率降低成本會(huì)越來越難。根據(jù)美國國家研究委員會(huì)（NationalResearchCouncil）最近公布的一份報(bào)告，該報(bào)告斷定，未來可回收的能量不太可能多于今天用量的15%——但也是值得去做的。
有時(shí)，在水管理范圍內(nèi)利用海水淡化也許是唯一確保水供應(yīng)的出路。為了達(dá)到降低成本的目的，研究者期待能找到更優(yōu)化的薄膜，允許水能更容易通過薄膜，降低堵塞的可能性。UCLA的EricHoek和他的同事們已經(jīng)開發(fā)了一種嵌入微小顆粒的薄膜，顆粒中含有狹窄的水流管道，這種薄膜可以大幅度提高水通量。除此之外這種薄膜光滑的表面也使得細(xì)菌難以附著在上面。根據(jù)工廠的設(shè)計(jì)，這種新型薄膜可以把總耗能降低20%，Hoek博士估算。該技術(shù)目前正由UCLA一家校園公司NanoH2O商業(yè)化。
同時(shí)，利用納米碳管——將碳原子組成的層面卷成管狀結(jié)構(gòu)——制備薄膜同樣也引起了人們的興趣。2006年，發(fā)表在Science上的一項(xiàng)研究展示了令人難以置信的高水流量。但權(quán)威人士認(rèn)為，還需要十年的時(shí)間才能將其商業(yè)化。
隨著淡化技術(shù)越來越廣泛的使用，它的環(huán)境影響，包括進(jìn)水和排水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，正招致人們不斷深入的審視。其中某些損害能非常容易就得到緩解。降低進(jìn)水速度就能使得大多數(shù)魚類生物和其他游動(dòng)的海洋生物游離進(jìn)水系統(tǒng)，不過還是有些小動(dòng)物，比如浮游生物和小魚，會(huì)陷在進(jìn)水屏障上或者吸入工廠。
評估影響
更大的問題也許是鹵水廢液，它的含鹽量一般是海水的兩倍，而且通常直接排入海洋。目前，關(guān)于它的長期影響的科學(xué)信息還非常稀少。過去的年代，大多數(shù)修建大型海水淡化廠的地方，并沒有對環(huán)保做充分的評估，太平洋研究所主任PeterGleick評述道（譯者注：關(guān)于PeterGleick的觀點(diǎn)，參見為什么我們不從海水中過濾掉鹽分獲得飲用水？），該組織是位于加州的腦庫組織，2006年發(fā)表了一篇海水淡化的研究報(bào)告。但是如果工廠建立在有更高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)，那么更多的相關(guān)信息就能獲取。
從Perth得到的一些最新評估令人振奮。最初，水資源研究中心的科學(xué)家們擔(dān)心從工廠中排泄高含鹽水會(huì)增高沿海環(huán)境的含鹽量。但是觀測結(jié)果表明，距離工廠排水設(shè)備500米遠(yuǎn)，含鹽量就趨于正常。Antenucci博士評論道，“鹽分排泄問題，可以通過優(yōu)良的設(shè)計(jì)加以克服。”
另外一個(gè)需要單獨(dú)加以考慮的問題是，一些金屬或者化合物會(huì)滲入鹵水。熱法淡化廠易于腐蝕，可能會(huì)將一些重金屬，比如銅，排入廢液。逆滲透法也有類似的問題，它需要用化合物做預(yù)處理和清潔薄膜，這些化合物最后也變成廢液。然而，現(xiàn)代化工廠能夠在廢水排泄之前處理掉這些化合物。而最新的預(yù)處理方法也許能夠減少或者消除使用某些化合物的需要。
也許是迄今為止證據(jù)比較有限，實(shí)際上看上去，海水淡化獲取淡水也許比其他辦法——比如從江河中抽取大量淡水——對環(huán)境的損害要小得多，那些辦法會(huì)導(dǎo)致當(dāng)?shù)佤~類種群嚴(yán)重銳減。但是基于我們對海水淡化對環(huán)境的影響還存在很多不確定因素，因此很難得出一個(gè)確定性的結(jié)論，國家研究委員會(huì)認(rèn)為。它發(fā)表的研究報(bào)告建議，深入研究海水淡化對環(huán)境的影響，以及尋求減輕影響的方法，這些應(yīng)置為最高研究選項(xiàng)。
逆滲透法工序不止是在海水淡化工業(yè)得到越來越多的應(yīng)用，它在廢水再生工業(yè)界也大展身手。在加州橙郡（OrangeCounty），再生水用于補(bǔ)充地下水，而在新加坡，再生水直接進(jìn)入當(dāng)?shù)厮畮，充作飲用水源。在這兩個(gè)地方，均可在當(dāng)?shù)氐脑偕O(shè)施上接到飲用水。這種“廁所到自來水龍頭”的方案也許會(huì)讓某些人反胃，但廢水是一種寶貴的資源，SabineLattemann說道，她是德國Oldenburg大學(xué)的研究員，致力研究淡化對環(huán)境的影響。“相對于淡化而言，(再生水)耗能相對較小，”她解釋道，“而且人們能從中生產(chǎn)高質(zhì)量飲用水。”
隨著水資源越來越匱乏，人們期待著找到能保證水供應(yīng)的多種途徑。世界上許多地區(qū)同樣也已經(jīng)大規(guī)模提高用水效率，Gleick博士稱，如此產(chǎn)生的費(fèi)用自然比淡化要低廉。但是有時(shí)候把淡化作為水資源管理辦法的一部分，也許是確保穩(wěn)定供應(yīng)飲用水的唯一辦法。
在遭受干旱肆虐的西澳大利亞地區(qū)，數(shù)年之前就開始進(jìn)行（資源）保護(hù)，當(dāng)?shù)氐淖詠硭疽呀?jīng)采用所謂的“以多樣化確保安全”的辦法，這在工業(yè)界也稱為“投資組合”辦法。與此同時(shí)，Perth的當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬘盟杏?/FONT>17%來自海水淡化。在（資源）保護(hù)下，淡化作為水源的一種是有意義的，Antenucci博士認(rèn)同這種說法，“如果說這是法寶，那就是錯(cuò)的，”他認(rèn)為。