只靠太阳能实现海水淡化？人类从此或不再“望洋兴叹”

科普中国-科普融合创作 2017-07-14

　　出品：科普中国

　　制作：山夕团队党以凡

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　在人类面临的众多资源危机中，淡水危机可谓是“老大难”。5年前，由3万多名海洋科技工作者历时8年多完成的“我国近海海洋综合调查与评价”专项显示：我国11个沿海省（自治区、直辖市）所辖的52个沿海城市中，极度缺水的有18个、重度缺水10个、中度缺水9个、轻度缺水9个，近90%的城市存在不同程度缺水问题。面朝大海，这些城市为何缺水如此严重？

　　一直以来，淡水资源本身的稀缺与海水淡化成本之高昂，使得我们一直无法攻克这一难关。不过，最近听说美国科学家利用普通纳米炭黑粒子，只靠太阳能实现海水淡化，这又是什么操作？

　　据悉，美国赖斯大学研究人员在新一期美国《国家科学院学报》上报告说，这是该校纳米技术水处理中心第一项重大创新，结合了膜蒸馏技术与纳米光子学——一层添加了纳米粒子的聚合物材料，能让海水淡化滤膜具备吸收阳光、自行加热海水的功能，使淡化过程无须用电。

　　研究人员利用市面上普通的纳米炭黑粒子，结合多孔聚合物研制出一层特殊材料，放置在滤膜表面。这层材料能吸收80％的阳光能量，只通过太阳能就可以加热海水、产生水蒸气。

　　这种膜蒸馏技术由于无须把海水加热到沸腾的程度，能耗比传统的热蒸馏要低，若大规模使用，节约的成本想必十分可观。那么淡水资源为何这般稀缺？海水淡化又需要经历怎样的流程？传统的技术是什么样的？下面我们就来了解一下！

　　淡水资源稀缺，海水淡化刻不容缓

　　我们常说我们的地球是个水球，到处都是水，但供人类生存发展使用的淡水却少得可怜。全球水量中，97％是不能饮用、不能灌溉、不能洗涤的海水，剩下3％的淡水的绝大部分又冻结在极地、高山的冰雪中。深埋在地下、悬浮于空气中的淡水也无法直接利用。其结果是，大约只有0．007％的存在于江、河、湖泊、水库和浅地层中的淡水是人类可以利用的。

　　全球淡水资源分布图（来源网络）

　　由于淡水分布的不均匀，地球陆地本来就有60％的地方是缺水地区和根本无水的沙漠。目前，全世界大约三分之一的人口生活在缺水状态中。据预测，到2025年，全世界三分之二的人口将生活在缺水状态中。

　　淡水危机如此严重是不奇怪的——3000年前的铜器时代，全球人口不过两三千万，现已突破60亿。为满足最低需要，一人一天要喝2至2.5升水，为保证一人一天所需，古代人一两担(50升)水就足够了，而现代城市居民，一天每人没有300升水，就不能保持生活的需要；现代农业、工业也都消耗大量淡水，没有水，工农业便不能发展。淡水缺乏如此急迫，向海洋索取淡水成为刻不容缓的任务。　　

　　海水淡化：百年追求的梦想

　　海水淡化是人类追求了几百年的梦想。早在世界大航海时代，英国王室就曾悬赏征求经济合算的海水淡化方法，但是，至今尚无人得到这一奖赏。因为到目前为止，海水淡化的方法虽然有了320多种，但还没有一种达到该奖赏规定的“物美价廉”的标准。

　　不过“物美价廉”、“经济合算”也是相对而言的。以石油为能源，从海水生产出来的淡水，可能比油还贵，可是在特定情况下，还是值得的。比如，大航海时代就已经有蒸馏器供远航帆船应急之用；轮船时代，几乎所有远洋商船和作战舰艇上都安装了应急的海水淡化设备。

　　此外，一些小型海岛，在国防、科学研究、资源开发方面地位十分重要。为保证驻岛人员的生活，除从大陆运送淡水外，安装代价昂贵的海水淡化装置也是必要的。

　　而在盛产石油、经济富有的中东国家，大多是干旱的沙漠地区。在这样的地区，水比油贵并不认为是不合算的。他们花费一些石油和金钱，大规模淡化海水，供应人们的生活，浇灌树木花草，美化环境。他们觉得这是很值得的。

　　海水淡化技术的发展

　　20世纪50年代以后，海水淡化作为一门现实的应用技术，发展迅速。在已经开发的二十几种淡化技术中，蒸馏法、电渗析法、反渗透法都达到了工业规模的生产应用。

　　电渗析淡化法是使用一种特别制造的薄膜实现的。

　　在电力作用下，海水中盐类的正离子穿过阳膜跑向阴极方向，不能穿过阴膜而留下来；负离子穿过阴膜跑向阳极方向，不能穿过阳膜而留下来。这样，盐类离子被交换走的管道中的海水就成了淡水，而盐类离子留下来的管道里的海水就成了被浓缩了的卤水。