[科普中国]-怎样把海水变成淡水？

人类的生存离不开水，地球上虽然有大量的水，可惜能为人类所利用的淡水却少得可怜。当人类为缺水感到困惑时，毫无疑问会将目光投向总量远比淡水多得多的海水。海水中含有3.5%的盐类化合物，如何低成本地把这些化合物从水中除去，一直是化学家孜孜以求的目标。目前，常用的海水淡化方法有以下几种。

蒸馏法。将海水加热，使其中的水变成蒸汽，再让蒸汽冷凝下来。由于海水中所溶的盐类不会随着蒸汽出来，因此得到的水就是几近纯水的蒸馏水。然而，无论是加热还是冷凝，都需耗费能源。每蒸发1克水就需要2.3千焦的能量。所以这种方法救急可以，却不是一个长久之计。

离子交换法。溶解在水中的盐分，都是以阳离子和阴离子的形式存在。如果有一种东西可以把这些离子移走，那么水也就得到纯化了。离子交换树脂就具有这样的能力。离子交换树脂是一种具有网状结构的不溶于水的高分子材料。它犹如一棵大树，上面有很多树枝，每个树枝上都有一个口袋。当海水通过的时候，阳离子会把阳离子交换树脂“口袋”中的氢离子交换出来，阴离子会把阴离子交换树脂“口袋”里的氢氧根离子交换出来，而氢离子和氢氧根离子相遇就变成了水。不过，离子交换树脂在使用了一段时间后会达到饱和状态，怎样使离子交换树脂可以持续使用呢？由于离子交换是可逆的，因此可以分别用酸和碱进行反交换来更新，这样就能使离子交换树脂可以反复使用了。但离子交换法处理能力有限，并需要大量的酸和碱来使树脂“再生”，如果大量用于海水淡化，成本太高，因此目前这种技术主要应用在水的进一步纯化方面。

反渗透法。渗透是大自然中一个非常普遍的自然现象。例如，植物就是靠根部的渗透来吸取水分的，渗透平衡对人的生命活动也极为重要。渗透是依靠一种称为半透膜的材料来实现的。半透膜可以让水自由通过，而水中的其他化学物质是通不过的。如果半透膜的左边是纯水，右边是溶液的话，从纯水这边通过半透膜的水就会比溶液右边通过半透膜的水多得多。这是因为，纯水上方的饱和蒸汽压比溶液上方的饱和蒸汽压大。当纯水和溶液上方均处于1.01×105帕（1 个标准大气压）的压力下，驱动水分子运动的动力决定于饱和蒸汽压。于是，纯水这边液面下降，溶液那边液面上升，到一定的液位差就达到平衡，这就是渗透现象。植物根部的表皮就是这样一种半透膜。

如果在溶液上方加压，使溶液上方的总压大于纯水上方的大气压，情况就会发生逆转。此时驱动水分子通过半透膜的动力就决定于两边的压力差。压力差大，溶液中就会有更多的水通过半透膜流向纯水。

用反渗透法将海水制成淡水的方法又称为“膜技术”。它的关键在于半透膜。这层膜要有一定的强度，因为首先处理过程是要加压的；其次它必须具有百分之百的选择性，只能让水通过，而任何其他化学物质是不能通过的；最后它还应该有较大的通过量，以加快制备过程。目前半透膜所存在的问题是成本高、寿命短。处理的溶液浓度愈高，膜的寿命愈短。如果这两个问题能解决的话，膜技术将会成为海水淡化最有前途的一种方法。

作者：刘旦初（复旦大学化学系教授，博士生导师）