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地球表面約四分之三被水覆蓋，但是大部分水都是不能飲用的咸水。并且其中2.5%的淡水是在泥土、積雪、冰川還有地下。因此只剩下不足1%的淡水，用于滿足人類和動物的飲用以及農(nóng)業(yè)灌溉-剩余的這些淡水資源還因為全球氣候變暖而逐漸萎縮。結(jié)果：越來越難以滿足人口增長對飲用水的需求，自來水逐漸變少。投資銀行分析家Goldman Sachs估計，全球用水量每20年翻一番。
因此人們開始尋找新的水源。其中一種被證實的候選方案是脫鹽-(脫鹽是一種將海水或者地下水中的鹽分提取出來，以獲得適合飲用的水的工業(yè)技術(shù))但是歷史上脫鹽法的高成本在很大程度上阻止其實現(xiàn)，隨著技術(shù)的改進和增長中的需求不斷壓榨淡水供給，情況有所改變。
“兩種主要的脫鹽技術(shù)是蒸餾和反滲透(簡稱RO)”耶魯大學(xué)環(huán)境工程師Menachem Elimelech如是說，“蒸餾就是將未凈化的水蒸發(fā)并濃縮，得到淡水。這種方法需要消耗大量能源，因此這種方法主要在中東這些有充足石油的地區(qū)使用。”加熱脫鹽法需要高溫，因此通常很昂貴(每立方米的淡水成本超過1美元)，但是將“廢棄”的熱量用于其他工業(yè)或者發(fā)電站運轉(zhuǎn)(廢熱發(fā)電)可以減少能量浪費。
然而，通常更多的脫鹽工廠采用RO法。這種方法基于高科技的、讓水滲透卻阻止鹽分通過的高分子膜，Elimelich說道。他解釋道，當(dāng)含鹽溶液位于半透膜一端而低濃度鹽溶液位于另一端時，水從低濃度一端向高濃度一段擴散。這種兩端溶液濃度趨向于平衡的現(xiàn)象被科學(xué)家們成為滲透現(xiàn)象。
在20世紀(jì)五六十年代，科學(xué)家們意識到他們可以逆轉(zhuǎn)這個進程。他們在高濃度溶液一端增加壓強，可以讓水分子穿過半透膜，而留下濃縮的鹽溶液。為了對抗兩個溶液之間產(chǎn)生的要將水壓回去的滲透壓，脫鹽工廠必須使用7000到8300千帕(每平方厘米71到86.5千克力或者沒平方英寸1000到1200磅)，他解釋道。
普通RO膜是由用多微孔聚乙烯砜制成的機械支撐層，和只讓水通過的微米級的聚酰胺制成的過濾層這兩部分混合構(gòu)成。后一種物質(zhì)是“DuPont’s Kevlar(用于制造輕型防彈背心的超高強度芳族聚酰胺聚合物)的第二代兄妹”此類產(chǎn)品最大的供應(yīng)商，Edina, Minn的Dow Water Solutions(DWS)的資深研究科學(xué)家Bill Mickols說道。他說，RO膜技術(shù)在最近20年趨于成熟，水滲透性、阻鹽能力、使用壽命(現(xiàn)在已經(jīng)能達到3-5年)和成本這幾個方面都有了顯著的進步。
這些改進與能量復(fù)原裝置(該裝置從高能量一段獲得壓力并將其大部分轉(zhuǎn)化為進液的推動力)相結(jié)合，使得脫鹽越來越經(jīng)濟可行。現(xiàn)行的RO設(shè)備脫鹽海水，每立方米成本在68-90美分。根據(jù)American Water Works Association(美國自來水廠協(xié)會)的資料，美國的市政用水平均價格在每立方米60美分左右。
目前這個工藝的其他改進包括維護工藝流程。RO工廠必須過濾海水并加入化學(xué)物質(zhì)來消除可能引起堵塞的微粒，膜也要定期清洗一防止結(jié)垢和生物膜污染，Austin的德州大學(xué)化學(xué)工程師Benny Freeman說道。“氯氣被加入水中來除菌”他說“但是之后操作員通常需要再除去氯以防止膜發(fā)生化學(xué)降解。”Freeman和James McGrath(吉尼亞理工學(xué)院和Blackburg州立大學(xué)聚合物科學(xué)家)成功改良出了抗氯的聚砜以充當(dāng)脫鹽膜。
別處的研究人員同時在努力改進RO的抗壓能力。Elimelech和企業(yè)家Robert McGinnis成功改良了一種叫向前滲透(FO)的工藝，它能將凈水所需要的能量降低90%。FO利用濃縮過后的溶液和未凈化的海水之間的壓力差來推動水通過半透膜。
現(xiàn)在，改善RO工藝將會繼續(xù)進行著，以期在未來對抗人類水資源的緊缺。
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