編者按: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(qū)、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(xiàn)海水淡化,這又是什么操作?
據(jù)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(chuàng)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(chǎn)生水蒸氣。
這種膜蒸餾技術由于無須把海水加熱到沸騰的程度,能耗比傳統(tǒng)的熱蒸餾要低,若大規(guī)模使用,節(jié)約的成本想必十分可觀。那么淡水資源為何這般稀缺?海水淡化又需要經(jīng)歷怎樣的流程?傳統(tǒng)的技術是什么樣的?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(fā)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、懸浮于空氣中的淡水也無法直接利用。其結果是,大約只有0.007%的存在于江、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(wǎng)絡)
由于淡水分布的不均勻,地球陸地本來就有60%的地方是缺水地區(qū)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(tài)中。據(jù)預測,到2025年,全世界三分之二的人口將生活在缺水狀態(tài)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)代農業(yè)、工業(yè)也都消耗大量淡水,沒有水,工農業(yè)便不能發(fā)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(jīng)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(guī)定的“物美價廉”的標準。
不過“物美價廉”、“經(jīng)濟合算”也是相對而言的。以石油為能源,從海水生產(chǎn)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(jīng)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(zhàn)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(fā)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(chǎn)石油、經(jīng)濟富有的中東國家,大多是干旱的沙漠地區(qū)。在這樣的地區(qū),水比油貴并不認為是不合算的。他們花費一些石油和金錢,大規(guī)模淡化海水,供應人們的生活,澆灌樹木花草,美化環(huán)境。他們覺得這是很值得的。
海水淡化技術的發(fā)展20世紀50年代以后,海水淡化作為一門現(xiàn)實的應用技術,發(fā)展迅速。在已經(jīng)開發(fā)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(yè)規(guī)模的生產(chǎn)應用。
電滲析淡化法是使用一種特別制造的薄膜實現(xiàn)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里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(wǎng)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,用這種膜隔開咸水和淡水,淡水就自動地住咸水那邊滲透。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,就是我們在實驗室里制備蒸餾水的原理。把海水燒到沸騰,淡水蒸發(fā)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(wǎng)絡)
這種古老的海水淡化方法,消耗大量能源,產(chǎn)生大量鍋垢,很難大量生產(chǎn)淡水?,F(xiàn)代多級閃急蒸餾淡化使古老的蒸餾法煥發(fā)了青春。
多級閃蒸(圖片來源網(wǎng)絡)
水在常規(guī)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(fā)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(jié)約用水,人人有責!
原標題:只靠太陽能實現(xiàn)海水淡化?人類從此或不再“望洋興嘆”