当海洋变成我们的水库

当海洋变成我们的水库

公元2500年，由于地球两极冰层融化，世界变得汪洋一片，人们只有在水上生活。这是美国科幻电影《未来水世界》开篇描述的世界大背景。镜头随后一转，广袤的海域里一艘船孤独地行使，船上只有一个人。这个人拿了一个塑料桶向里面撒尿，尿完后将水倒入一个水净化装置，然后在下面的水龙头将净化后的水喝了。注意，他没有用海水净化，而是用尿。难道说，在500年后的未来世界，人们仍然不能把苦涩的海水变为甘冽的淡水吗？

海水净化是个难题，但并非遥不可及。记者最近造访了位于浦东张江园区的GE全球研究中心，1500多位高智商的科学“狂人”聚集在此。这些科学家相信，有了不断的研究和改进，相信将海洋变成水库的那天,离我们不再遥远。2000年至2009年，全球海水淡化业务的市场规模总额为约300亿欧元，预计2010年至2016年，全球海水淡化市场将约为290亿欧元。

梦想宝物淡化海水

我们常说，水是宝贵的。这里的水一般指的是有限的淡水资源，它对于人类的生产生活来说，是一刻也不能离开的。既然海水也是水，能不能从海水中除掉盐分，提取淡水呢？

表面看海水淡化很简单，只要将咸水中的盐与淡水分开即可。事实上，海水淡化是人类追求了千年的梦想。

在中国，古代传说中的“海井”和“定水带”早已作出展望。南宋周密在《癸辛杂志》说：“华亭市有一物，如水桶而无底，非金石竹木所制，无有识者。一日，有海船老商以三百缗买之。或问何物，商曰：‘此至寳也，名为海井。凡航海必须以淡水自随，今但以大器贮海水置此井于水中汲之，皆甘泉矣。’”周密的“海井”，虽然纯属想象，但有十分重大的现实意义，后被近十种古籍中引用。

同是中国古代传说中的“定水带”，淡化海水的工作原理也是过滤。清代董含《蓴乡赘笔》中说：“京师穷市有古铁条，垂三尺许，阔二寸有奇，中虚而外绣涩，两面鼓钉隐起，不甚可辨，欲易钱数十文，无顾问者……使曰：‘此名定水带。昔神禹治水，得此带以定九区，此特其一。我国航海，每苦海水咸不可饮，一投水带，立化甘泉，可无病汲，此至宝也。’好事者随至高丽馆试之。命贮苦水数斛，搅之以盐，投以带，沸作鱼眼，少顷，甘冽无比，遂各惊叹。”可见，“定水带”淡化海水的效率也很高。

“海井”和“定水带”，都是中国古代的传说，但反映了人们当时抗争艰难生活展望美好事物的乐观心态，并对淡化海水的工作原理作了古朴原始的想象。

而在国外，早在公元4世纪希腊水手就发明了蒸馏法淡化海水，7世纪末发明了过滤和分类装置，1650年世界上第一个海水淡化站在北非的突尼斯建成。在400多年前，英国王室就曾悬赏征求经济合算的海水淡化方法。彼时恰逢大航海时代，船在一望无际的大海上航行数十天、半年甚至耗费更多时间的屡见不鲜。但是由于船体载重的问题，远洋的人起锚时，不能一次随船携带大量的饮用水。水手为此苦不堪言。

“富得冒油”和“水比油贵”

对此，GE化学技术研究室的熊日华博士告诉记者，以较低的投入，从海水中大规模换取高质量的淡水，还是要从20世纪50年代算起。世界上淡水资源不足，已成为人们日益关切的问题。有人预言，19世纪争煤，20世纪争油，21世纪可能争水。

他说：“这是因为当时在中东国家发现了石油。这些富得冒油的土地，却打不出一口淡水井。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。他们觉得这是水比油贵很值得的。”

正因为如此，20世纪50年代以后，海水淡化，作为一门现实的应用技术，发展很快。目前国际通用的海水淡化工艺路线有热法和膜法两种。这两种工艺都有可能应用到大型的海水淡化。

热法的原理很简单，就是我们在实验室里制备蒸馏水的原理。把海水烧到沸腾，淡水蒸发为蒸汽，盐留在锅底，蒸汽冷凝为蒸馏水，即是淡水。这种古老的海水淡化方法，消耗大量能源，产生大量锅垢，很难大量生产淡水。多级闪蒸和多效蒸发使古老的热法焕发了青春。

水在常规气压下，加热到100℃才沸腾成为蒸汽。但是一定温度的海水在压力突然降低的条件下，部分海水会急骤蒸发。利用这个原理，多级闪蒸将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，将蒸汽冷凝而得到淡水。这种淡化工厂，可以与热电厂建在一起，利用热电厂的余热加热海水。水电联产，可以大大降低生产成本。现行大型海水淡化厂，大多采用此法。如果太阳能蒸发淡化法能够投入实用，其淡化技术又上一个节能的新台阶。

而多效蒸发是让加热后的海水在多个串联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源，并冷凝成为淡水。这是热法中最节能的方法之一。

熊日华介绍，膜法中的反渗透法诞生于1953年，最大的优点是节能。1974年以来，发达国家不约而同地将海水淡化的研究方向转向了反渗透法。目前热法在中东各国应用较多，欧美各国则多采用反渗透法。

“膜”术让水往高处流

反渗透法更加绝妙。

“水往低处流”。1748年，一个叫莱诺的法国物理学家无意中发现，包裹在猪膀胱里的水会自行扩散到膀胱外侧的酒中，因而首次发现了“渗透”现象。在自然界中，低浓度溶液中的水会往高浓度的溶液中流动，以此达到一种稳定的、低能量的状态。如果要让水从高浓度的海水中透过一张类似猪膀胱的半透膜流到低浓度的一端，就需要对海水施加一个压力。这张半透膜就是反渗透膜。

熊日华告诉记者，通俗地说，反渗透膜好比就是一个筛子，在海水通过时只有体积小的水分子可以过，而体积更大的盐分就不能通过。现在一般反渗透膜的孔径只有十分之一纳米。在这个孔径下，水中的盐分、比细菌更小的病毒，以及作为离子态存在的重金属都不能通过。GE的海水淡化平台就是采用薄膜技术将海水和含盐水转化为适合饮用、灌溉和工业应用的淡水。

据介绍，反渗透海水淡化工厂所需的能量比多级闪蒸之类的热法海水淡化工艺低得多，因此成本更低。“目前反渗透膜进行海水淡化的综合成本在每吨0.7-0.8美元之间，而热法的成本比它要高10%-20%。”熊日华说，“别小瞧了这十个百分点，每天十几万吨的量积攒在一起，就存在巨大的经济效益差。”

在GE全球研究中心的底楼大堂内，记者看到了相关的反渗透膜海水淡化模型。GE使用卷式膜，因为卷起来的膜受到的压力最为均匀。紧密压实的过滤材料夹在网孔隔板之间，并且包裹在一个小直径的管内，来用于脱盐和脱矿质处理水。薄膜的操作条件被精心调整，以便流量或经过薄膜的水量，与规定的污染物滤除率之间达到平衡，从而在低压力和高流速下，达到满意的盐滤除率。GE可以提供不同规格的反渗透膜元件以满足客户多样化的需求。

事实上，这并不仅仅是个美好的构想。两年前，投资2.5亿美元的Hamma海水淡化厂在阿尔及利亚的阿尔及尔市正式落成。这家厂由GE和国有的阿尔及利亚能源公司共同投资设立的，出资比例分别为70%和30%，每天最多可净化20万立方米的海水，为阿尔及尔两百万居民提供不受干旱影响的可靠淡水资源。

呼唤更加廉价的技术

成本，还是成本，是目前海水淡化推广的首要瓶颈，也是全世界科学家的研究重点。

这个领域的成本主要包含两部分：一是生产过程中需要的成本。比如GE所涉及的项目，他们将淡化后的海水提供给电厂、化工等企业，但在淡化处理过程中，需要耗费大量能源来制造压力，能源价格居高不下势必会影响这部分成本。二是海水淡化后处理污物产生的成本。随着公众环境意识的增加和政府环境立法的加强，海水淡化需要考虑如何在获取大量淡水的同时最大程度地降低对环境的影响。

以反渗透膜进行海水淡化为例，综合成本在每吨0.7-0.8美元之间，折合成人民币也就是在每吨5元左右；而这个价格还只是工厂的成本价，并没有计算管网的损耗、企业的利润等等。而目前国内城市的水价也就在每吨2.5元左右。

那么，如何降低成本？从国内现状来看，政府要统一部署、统一管理，然后对符合国家投资导向的海水淡化企业可以考虑享受国家、省、市对外商投资企业的相关优惠政策，或者参照高新企业、高新技术成果转化项目、高新产品，对从事海水淡化的企业在投资、土地、税收等方面给予优惠扶持政策。

而GE的科学家们采用方法之一就是改善反渗透膜的透水率，目标是通过改善膜的表面，在同等压力下让更多的水透过，也就是减少了能耗，降低了成本。前不久，他们成功研制出几种新的化学添加剂，把他们添加到制作反渗透膜的溶液中，产生的物质能够具有更好的亲水性，从而增强了膜的水通量，降低了对压力的需求。此外，他们将原来的制膜“两步法”简化为一步完成，大大缩短了制膜的周期，降低了成本和能耗。据悉，这种新的超低能耗的新的反渗透膜目前已经进入大规模生产试验阶段，相信不久就会进入市场。

而一些新的海水淡化方法或许将带来新的突破。

据最新一期英国《自然·纳米技术》杂志报道，麻省理工学院的研究人员采用纳米技术开发出的新型装置，利用离子浓度差极化原理对海水进行脱盐。通过可行性试验发现，该装置体积虽小，但其海水淡化效果与目前最先进的海水淡化设备不相上下，回收率达到50%，即用于试验的一半的海水被淡化。新型装置实现了小型化，并且使用电池就可以工作。它不会再像以前的设备那样笨重，因此可以在沿海干旱地区广泛使用。

科学创新，永无止境。

本报记者 张晓鸣

日期：2010-12-19

来源：文汇报

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/c7a2f80002020740be1e9b87.html