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公元2500年，由于地球兩極冰層融化，世界變得汪洋一片，人們只有在水上生活。這是美國科幻電影《未來水世界》開篇描述的世界大背景。鏡頭隨后一轉，廣袤的海域里一艘船孤獨地行使，船上只有一個人。這個人拿了一個塑料桶向里面撒尿，尿完后將水倒入一個水凈化裝置，然后在下面的水龍頭將凈化后的水喝了。注意，他沒有用海水凈化，而是用尿。難道說，在500年后的未來世界，人們仍然不能把苦澀的海水變為甘冽的淡水嗎？
海水凈化是個難題，但并非遙不可及。記者最近造訪了位于浦東張江園區的GE全球研究中心，1500多位高智商的科學“狂人”聚集在此。這些科學家相信，有了不斷的研究和改進，相信將海洋變成水庫的那天,離我們不再遙遠。2000年至2009年，全球海水淡化業務的市場規模總額為約300億歐元，預計2010年至2016年，全球海水淡化市場將約為290億歐元。
夢想寶物淡化海水
我們常說，水是寶貴的。這里的水一般指的是有限的淡水資源，它對于人類的生產生活來說，是一刻也不能離開的。既然海水也是水，能不能從海水中除掉鹽分，提取淡水呢？
表面看海水淡化很簡單，只要將咸水中的鹽與淡水分開即可。事實上，海水淡化是人類追求了千年的夢想。
在中國，古代傳說中的“海井”和“定水帶”早已作出展望。南宋周密在《癸辛雜志》說：“華亭市有一物，如水桶而無底，非金石竹木所制，無有識者。一日，有海船老商以三百緡買之。或問何物，商曰：‘此至寳也，名為海井。凡航海必須以淡水自隨，今但以大器貯海水置此井于水中汲之，皆甘泉矣。’”周密的“海井”，雖然純屬想象，但有十分重大的現實意義，后被近十種古籍中引用。
同是中國古代傳說中的“定水帶”，淡化海水的工作原理也是過濾。清代董含《蓴鄉贅筆》中說：“京師窮市有古鐵條，垂三尺許，闊二寸有奇，中虛而外繡澀，兩面鼓釘隱起，不甚可辨，欲易錢數十文，無顧問者……使曰：‘此名定水帶。昔神禹治水，得此帶以定九區，此特其一。我國航海，每苦海水咸不可飲，一投水帶，立化甘泉，可無病汲，此至寶也。’好事者隨至高麗館試之。命貯苦水數斛，攪之以鹽，投以帶，沸作魚眼，少頃，甘冽無比，遂各驚嘆。”可見，“定水帶”淡化海水的效率也很高。
“海井”和“定水帶”，都是中國古代的傳說，但反映了人們當時抗爭艱難生活展望美好事物的樂觀心態，并對淡化海水的工作原理作了古樸原始的想象。
而在國外，早在公元4世紀希臘水手就發明了蒸餾法淡化海水，7世紀末發明了過濾和分類裝置，1650年世界上第一個海水淡化站在北非的突尼斯建成。在400多年前，英國王室就曾懸賞征求經濟合算的海水淡化方法。彼時恰逢大航海時代，船在一望無際的大海上航行數十天、半年甚至耗費更多時間的屢見不鮮。但是由于船體載重的問題，遠洋的人起錨時，不能一次隨船攜帶大量的飲用水。水手為此苦不堪言。
“富得冒油”和“水比油貴”
對此，GE化學技術研究室的熊日華博士告訴記者，以較低的投入，從海水中大規模換取高質量的淡水，還是要從20世紀50年代算起。世界上淡水資源不足，已成為人們日益關切的問題。有人預言，19世紀爭煤，20世紀爭油，21世紀可能爭水。
他說：“這是因為當時在中東國家發現了石油。這些富得冒油的土地，卻打不出一口淡水井。他們花費一些石油和金錢，大規模淡化海水，供應人們的生活，澆灌樹木花草，美化環境。他們覺得這是水比油貴很值得的。”
正因為如此，20世紀50年代以后，海水淡化，作為一門現實的應用技術，發展很快。目前國際通用的海水淡化工藝路線有熱法和膜法兩種。這兩種工藝都有可能應用到大型的海水淡化。
熱法的原理很簡單，就是我們在實驗室里制備蒸餾水的原理。把海水燒到沸騰，淡水蒸發為蒸汽，鹽留在鍋底，蒸汽冷凝為蒸餾水，即是淡水。這種古老的海水淡化方法，消耗大量能源，產生大量鍋垢，很難大量生產淡水。多級閃蒸和多效蒸發使古老的熱法煥發了青春。
水在常規氣壓下，加熱到100℃才沸騰成為蒸汽。但是一定溫度的海水在壓力突然降低的條件下，部分海水會急驟蒸發。利用這個原理，多級閃蒸將經過加熱的海水，依次在多個壓力逐漸降低的閃蒸室中進行蒸發，將蒸汽冷凝而得到淡水。這種淡化工廠，可以與熱電廠建在一起，利用熱電廠的余熱加熱海水。水電聯產，可以大大降低生產成本。現行大型海水淡化廠，大多采用此法。如果太陽能蒸發淡化法能夠投入實用，其淡化技術又上一個節能的新臺階。
而多效蒸發是讓加熱后的海水在多個串聯的蒸發器中蒸發，前一個蒸發器蒸發出來的蒸汽作為下一蒸發器的熱源，并冷凝成為淡水。這是熱法中最節能的方法之一。
熊日華介紹，膜法中的反滲透法誕生于1953年，最大的優點是節能。1974年以來，發達國家不約而同地將海水淡化的研究方向轉向了反滲透法。目前熱法在中東各國應用較多，歐美各國則多采用反滲透法。
“膜”術讓水往高處流
反滲透法更加絕妙。
“水往低處流”。1748年，一個叫萊諾的法國物理學家無意中發現，包裹在豬膀胱里的水會自行擴散到膀胱外側的酒中，因而首次發現了“滲透”現象。在自然界中，低濃度溶液中的水會往高濃度的溶液中流動，以此達到一種穩定的、低能量的狀態。如果要讓水從高濃度的海水中透過一張類似豬膀胱的半透膜流到低濃度的一端，就需要對海水施加一個壓力。這張半透膜就是反滲透膜。
熊日華告訴記者，通俗地說，反滲透膜好比就是一個篩子，在海水通過時只有體積小的水分子可以過，而體積更大的鹽分就不能通過。現在一般反滲透膜的孔徑只有十分之一納米。在這個孔徑下，水中的鹽分、比細菌更小的病毒，以及作為離子態存在的重金屬都不能通過。GE的海水淡化平臺就是采用薄膜技術將海水和含鹽水轉化為適合飲用、灌溉和工業應用的淡水。
據介紹，反滲透海水淡化工廠所需的能量比多級閃蒸之類的熱法海水淡化工藝低得多，因此成本更低。“目前反滲透膜進行海水淡化的綜合成本在每噸0.7-0.8美元之間，而熱法的成本比它要高10%-20%。”熊日華說，“別小瞧了這十個百分點，每天十幾萬噸的量積攢在一起，就存在巨大的經濟效益差。”
在GE全球研究中心的底樓大堂內，記者看到了相關的反滲透膜海水淡化模型。GE使用卷式膜，因為卷起來的膜受到的壓力最為均勻。緊密壓實的過濾材料夾在網孔隔板之間，并且包裹在一個小直徑的管內，來用于脫鹽和脫礦質處理水。薄膜的操作條件被精心調整，以便流量或經過薄膜的水量，與規定的污染物濾除率之間達到平衡，從而在低壓力和高流速下，達到滿意的鹽濾除率。GE可以提供不同規格的反滲透膜元件以滿足客戶多樣化的需求。
事實上，這并不僅僅是個美好的構想。兩年前，投資2.5億美元的Hamma海水淡化廠在阿爾及利亞的阿爾及爾市正式落成。這家廠由GE和國有的阿爾及利亞能源公司共同投資設立的，出資比例分別為70%和30%，每天最多可凈化20萬立方米的海水，為阿爾及爾兩百萬居民提供不受干旱影響的可靠淡水資源。
呼喚更加廉價的技術
成本，還是成本，是目前海水淡化推廣的首要瓶頸，也是全世界科學家的研究重點。
這個領域的成本主要包含兩部分：一是生產過程中需要的成本。比如GE所涉及的項目，他們將淡化后的海水提供給電廠、化工等企業，但在淡化處理過程中，需要耗費大量能源來制造壓力，能源價格居高不下勢必會影響這部分成本。二是海水淡化后處理污物產生的成本。隨著公眾環境意識的增加和政府環境立法的加強，海水淡化需要考慮如何在獲取大量淡水的同時最大程度地降低對環境的影響。
以反滲透膜進行海水淡化為例，綜合成本在每噸0.7-0.8美元之間，折合成人民幣也就是在每噸5元左右；而這個價格還只是工廠的成本價，并沒有計算管網的損耗、企業的利潤等等。而目前國內城市的水價也就在每噸2.5元左右。
那么，如何降低成本？從國內現狀來看，政府要統一部署、統一管理，然后對符合國家投資導向的海水淡化企業可以考慮享受國家、省、市對外商投資企業的相關優惠政策，或者參照高新企業、高新技術成果轉化項目、高新產品，對從事海水淡化的企業在投資、土地、稅收等方面給予優惠扶持政策。
而GE的科學家們采用方法之一就是改善反滲透膜的透水率，目標是通過改善膜的表面，在同等壓力下讓更多的水透過，也就是減少了能耗，降低了成本。前不久，他們成功研制出幾種新的化學添加劑，把他們添加到制作反滲透膜的溶液中，產生的物質能夠具有更好的親水性，從而增強了膜的水通量，降低了對壓力的需求。此外，他們將原來的制膜“兩步法”簡化為一步完成，大大縮短了制膜的周期，降低了成本和能耗。據悉，這種新的超低能耗的新的反滲透膜目前已經進入大規模生產試驗階段，相信不久就會進入市場。
而一些新的海水淡化方法或許將帶來新的突破。
據最新一期英國《自然·納米技術》雜志報道，麻省理工學院的研究人員采用納米技術開發出的新型裝置，利用離子濃度差極化原理對海水進行脫鹽。通過可行性試驗發現，該裝置體積雖小，但其海水淡化效果與目前最先進的海水淡化設備不相上下，回收率達到50%，即用于試驗的一半的海水被淡化。新型裝置實現了小型化，并且使用電池就可以工作。它不會再像以前的設備那樣笨重，因此可以在沿海干旱地區廣泛使用。
科學創新，永無止境。
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