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海水淡化实现途径多 人类从此或不再“望洋兴叹”

2017-7-18 10:33| 发布者: candy| 查看: 196| 评论: 0|来自: 中国科普博览

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。

电渗析淡化法原理示意图(来源网络)


反渗透淡化法更加绝妙。它使用的薄膜叫“半透膜”。半透膜的性能是只让淡水通过,不让盐分通过。如果不施加压力,用这种膜隔开咸水和淡水,淡水就自动地住咸水那边渗透。我们通过高压泵,对海水施加压力,海水中的淡水就透过膜到淡水那边去了,因此叫做反渗透,或逆渗透。

反渗透法原理示意图


蒸馏法的原理很简单,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。

蒸馏法(来源网络)


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。现代多级闪急蒸馏淡化使古老的蒸馏法焕发了青春。

多级闪蒸(图片来源网络)


水在常规气压下,加热到100℃才沸腾成为蒸汽。如果使适当加温的海水进入真空或接近真空的蒸馏室,便会在瞬间急速蒸发为蒸汽。利用这一原理,可以做成多级闪急蒸馏海水淡化装置。

可见,百年以来,人们一直在寻找各种各样的方法淡化海水,以克服淡水资源紧缺的威胁,而我们新闻中所提到的膜蒸馏技术与纳米光子学结合的海水淡化法,则又是新的进步与鼓励,希望我们能早日求得解决之法,不过在这个问题彻底解决之前,小编还是例行提倡:节约用水,人人有责!

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