从海洋中取水(上)

 从海洋中取水(上)

Translated by socrates

        环保技术：淡化技术将含盐水转化为新鲜淡水。出于对水资源匮乏的担忧，淡化技术会是一个快捷的技术解决途径吗？

        地球上有广袤的水资源，但不幸的是其中超过97%是高含盐水，不适宜人类直接饮用；剩下的只有部分是容易提取的江河湖泊水和地表水。气候变化、干旱、人口的增长和工业用水的增加使得新鲜淡水的有效供应日益趋紧。根据联合国公布的数据，目前全球超过10亿人口居住在水资源稀缺地区，而到2025年，这个数字会攀升到18亿。

        海水淡化技术是个经受过时间考验但又是个昂贵的生产淡水办法：去除海水中溶解的盐分。这种技术的吸引力是显而易见的。地球上广袤的海洋，可以给人类提供事实上无穷无尽且永不干涸的水资源。“如果我们有朝一日能以具有竞争力地——以较低成本——从盐水中提取淡水，”近50年前约翰.肯尼迪总统评述道，“那将是人类长久的福祉，也会使得其他任何科学成就相形见绌。”

        根据国际淡化协会（International Desalination Association）提供的最新数据，全球现今有13080座海水淡化厂在工作。他们总共的产能是日均5,560万立方米可饮用水——只相当于0.5%的全球用水量。他们中的一半产能在中东。因为海水淡化需要消耗大量的能源，其成本大概数倍于从江河或地表取水产生的费用，因此过去淡化技术主要局限在富油国使用，那些地区有廉价能源但是淡水资源匮乏。

        但如今情况有了些转变。随着世界上更多的区域面临延长的干旱期或者水资源匮乏，淡水技术利用率在提高。光是在加利福尼亚州，已经提议建设大约20座海水淡化厂，包括在圣地亚哥附近的一座将耗资3亿美元的淡化装置。一些澳大利亚城市正在规划或者开工建设大型的淡化厂，其中最大的一座在墨尔本附近，预计将耗资29亿美元。甚至伦敦也在修建一座淡化厂。根据全球水资源情报（Global Water Intelligence）——一家市场调研公司——实施的项目得知，到2015年，全球淡化产能将比现在翻倍。

        不是每个人都乐见此事。一些环保组织担忧淡化厂使用的能源，他们会排出温室气体。一个大型淡化厂一年消耗的电力相当于3万户居民的耗电量。

        也有好消息：技术和制造上的进步已经减少淡化厂的成本和能耗。而且很多新厂遵从严格的环保标准。澳大利亚Perth附近的一个新建厂，使用附近风力发电厂出产的可再生能源——风电。另外，该厂的现代化海水进水系统和废水排水系统均能把对海洋生物的影响最小化。位于Perth的西澳大利亚大学的水研究中心副主任Jason Antenucci称赞该厂“为澳大利亚其他淡化厂树立了榜样”。

        古代就有从海水中去除盐分的故事和传奇。但直到16世纪人们才开始一致努力从海水中提取淡水，当时欧洲探险家在进行漫长的航海旅行时，开始在船上安装简易淡化装置，以备不时之需。这些装置往往是粗糙而低效的，也就是在炉灶或炉上煮沸海水。

        淡化技术的重要突破来自制糖工业。为了生产结晶糖，需要消耗大量的燃料加热糖液，以蒸发掉其中的水分。大约1850年左右，一位名叫Norbert Rillieux的美国工程师在高效精炼糖方面发明了数项专利。他的方法如今称为多效蒸馏法，包括一个级联的多腔系统，各腔之间压力递减。这意味着水的沸点也递减。因此，第一个腔中产生的水蒸气中的热可以在第二个腔中循环利用以加热其中的水使其蒸发，如此进行下去。

不要盐分，谢谢！

        这种技术可以降低精炼糖所需的能量高达80%，James Birkett感叹道，他是位于缅因州Nobleboro一个淡化顾问组织West Neck Strategies的成员。但是50年之后，这个技术才从制糖工业移植到其他工业。直到19世纪晚期，多效蒸馏法用于淡化海水才开始在轮船上或者在贫水国家诸如也门和苏丹得到应用。

        许多应用多效蒸馏法的工厂是在20世纪上半叶成立，但是这个系统的一个缺陷妨碍了它的大规模应用。在热交换表面上往往会有矿物质沉淀，而这阻碍了能量的传输。1950年代，一种新型的热法淡化工艺，称之为多级闪蒸法，减轻了这个问题。这种方法首先在高压下加热海水，然后将之送入一系列压力递减的腔，在每个步骤上，都导致其中部分海水蒸发或者“闪”掉。凝聚的海水留在腔的底部，淡水蒸汽聚集在上部。因为蒸发不在热交换表面上发生，因此极少矿物质沉淀下来。

        富油贫水的中东国家很快就采用多级闪蒸技术。因为需要热流，所以许多淡化装置都修建在发电厂附近，这会产生过剩热。曾有一度，淡水和电力的联合生产统治了淡化工业。

        从1950年代开始，人们开始研究从海水中去除盐分的新方法。美国政府组建了一个盐水办公室（Office of Saline Water）来支持淡化技术研究。佛罗里达大学和加州大学洛杉矶分校（UCLA）的科学家开始研究薄膜办法，这种薄膜能渗透水，但是阻止盐分渗透。

        在自然界中这种薄膜是很普遍的。当在一个半透膜（比如细胞壁）的一边放上盐溶液，另一边放上低含盐溶液，水就会扩散穿过半透膜从低含盐边进入高含盐边。这个过程，也就是倾向于平衡两个溶液的含盐量的过程，称之为渗透性。研究者想知道，在高含盐溶液上加压，是否会使渗透过程逆反进行，致使水分子反方向扩散穿过薄膜，使得高含盐溶液的含盐量更高。

        最初的努力只取得有限的成功，产生了数量很少的淡水。转变发生在1960年，UCLA 的 Sidney Loeb 和 Srinivasa Sourirajan 使用他们自己制备的醋酸纤维素薄膜，这是一种用在摄影相片上的聚合物。他们的新薄膜大幅度改善了通量（给定尺寸的薄膜上水分子扩散通过率）。1965年，在加州Coalinga诞生了一座小型的应用“逆渗透法”淡化海水的工厂。

        热法淡化海水所需要的能量与源水中的含盐量关系不大，但是在逆渗透法中所需的能量却与含盐量直接相关。越咸的水，压制水分子通过薄膜以去除盐分所需的压力（因此也就是所需的能量）越大。每升海水通常含有33-37克溶解盐。为了使之能饮用，这些盐中的将近99%必须去除。因为咸水含盐量比海水低，所以淡化它不需要大量能源，因此成本也相对较低。故而，逆渗透法首先应用于处理咸水。

        另外一个重要区别是，逆渗透法不像热蒸馏法，需要对来水进行大规模预处理。应用逆渗透法的工厂使用过滤器和化合物去除会堵塞薄膜的微粒，且薄膜也必须定期清洗，以减少结垢和污垢

(未完待续)