咸水能解渴吗?

这看起来很简单:把盐从水中拿出来，这样就可以饮用了。

但它远远比乍看之下更加复杂。这也是在世界上越来越重要，其中淡水资源逐渐被人口增长，发展紧张，干旱气候变化等等。这就是为什么从美国到澳大利亚的研究人员和公司都在微调一个有几个世纪历史的概念，这个概念可能是解决世界缺水的未来。

“当涉及到增加水的供应，你有四个选择:增加重复使用，增加储存，保护它或者转向一个新的来源，”海水淡化顾问和贸易周刊的编辑Tom Pankratz说海水淡化报告。“对世界上许多地方来说，唯一的新来源就是海水淡化。”

昂贵的过程

海水淡化技术已经存在了几个世纪。在中东，人们长期蒸发含微咸盐的地下水或海水，然后将其冷凝，产生无盐水，用于饮用，在某些情况下，用于农业灌溉。

随着时间的推移，这个过程变得更加复杂。大多数现代化的海水淡化设施使用的是反渗透，也就是将水在高压下通过半渗透膜抽走盐分和其他矿物质。

全世界大约有3亿人从150个国家的1.7万多家海水淡化厂获得淡水。中东国家出于需求和能源供应的需要主导了这一市场，但随着淡水短缺的威胁在世界各地蔓延，其他国家也在迅速加入他们的行列。美国审计总署前任总裁兰迪•特鲁比(Randy Truby)表示，工业产能正以每年约8%的速度增长国际脱盐协会该组织在澳大利亚和新加坡等地“活跃起来”。

在美国，一个投资10亿美元的工厂正在加州卡尔斯巴德兴建。，提供有关的饮水需求的圣地亚哥地区7％。当它在2015年末网上它将是北美最大的，有50万加仑的每一天的能力。加州目前在作品约16海水淡化厂的建议。

但是海水淡化是昂贵的。Pankratz说，从一家海水淡化厂生产一千加仑淡水，美国消费者的平均成本为2.5到5美元，而传统淡水的价格为2美元。

它也是一个能源消耗大户:全世界的海水淡化工厂都在消耗每天超过2亿千瓦时(PDF)据估计，能源成本占电厂运营和维护总成本的55%。大多数反渗透工厂从海水中生产一立方米淡水需要耗费3到10千瓦时的能源。传统的饮用水处理工厂通常使用低于每立方米1千瓦时。

它还会造成环境问题，从取代海洋生物到对海洋生物周围的盐浓度产生不利影响。

一套海水淡化改进方案的研究正在进行中，旨在使海水淡化过程更廉价、更环保——包括减少对化石燃料衍生能源的依赖，化石燃料导致气候变化，从而使恶性循环永世存在，而气候变化首先导致淡水短缺。

膜升级

大多数专家说，反渗透是有效，因为它会得到。但是，一些研究人员正试图通过提高水用来分隔盐膜挤出更多。

目前用于脱盐膜主要是卷成通过该水芯吸的中空管薄聚酰胺薄膜。节约能源的方法之一是增加了膜，这是直接与他们有多少淡水使相关的直径。公司正在越来越多地从8英寸到移动16英寸直径的膜，其具有有源区域的四倍。

“你可以生产更多的水，同时减少设备的足迹，”Harold Fravel Jr.说美国膜技术协会这是一家提倡使用净水系统的组织。

很多膜的研究集中在纳米材料 - 材料大约比人的头发的直径小10万倍。的技术研究人员麻省理工学院报道在2012年，一个膜制成的单原子厚的片材称为石墨烯可以很好的工作碳原子的且需要较少通过抽水比聚酰胺，它是较厚的大约一千倍的压力。较小的压力意味着较少的能量来操作的系统，因此，降低能源费用。

石墨烯是不仅耐用和难以置信薄，但，不同于聚酰胺，它不是水处理敏感的化合物，如氯。在2013年，洛克希德·马丁公司获得专利的Perforene膜它有一个原子厚度的小孔，小孔小到足以容纳盐和其他矿物质，但允许水通过。

另一种流行的纳米材料解决方案是碳纳米管，阿斯顿大学的研究人员Philip Davies说，他专门研究水处理的节能系统。碳纳米管之所以吸引人，原因和石墨烯一样。石墨烯是一种坚固耐用的材料，被包裹在一个小包裹里。

膜必须被换出，所以碳纳米管的耐用性和高吸收率会降低更换频率，节省时间和金钱。

膜技术的所有“声音性感，但它并不容易，” Pankratz说。“做的东西如此之薄，仍保持完整时，有工程上的挑战。”

石墨烯和碳纳米管离广泛应用还有几十年的时间，亚利桑那大学化学和环境工程教授温德尔·埃拉(Wendell Ela)说:“我确实看到了它们的影响，但这是一条出路。”

特鲁比表示，商业化的障碍包括制造这种小材料，以及制造与现有工厂和基础设施兼容的新型膜。

他说:“关键是要升级系统，而不是拆除它们，建造一个全新的工厂。”

正向渗透

其他正在寻求超越反渗透被称为正向渗透另一个进程。在正向渗透，海水由具有盐和气体的溶液，它创建的解决方案之间的高渗透压差吸入系统。该解决方案通过膜一起，留下盐后面。

Ela表示，前向渗透“可能作为一种预处理而不是作为商业海水处理厂的独立处理是最有效的”，因为反渗透在大规模应用中效果更好。作为一种预处理，正向渗透可以延长反渗透膜的寿命，并通过减少所需的消毒剂和其他预处理选项，促进整个系统的健康。

Ela说，这个过程应该比反渗透使用更少的能量，因为它是由热力学驱动的。但是去年夏天，麻省理工学院的科学家报告说，由于第一步产生的高盐浓度的溶液，正向渗透淡化可能比反向渗透更耗能。

英国公司现代水利工作在阿曼的第一个商业的正向渗透装置，在阿拉伯半岛的东南沿海。每天26000加仑，该系统具有比大多数的大型反渗透系统更小的容量。公司官员并没有换来对植物的评论请求。然而，该公司报告指出，相较于反渗透工厂有能量减少42％。

希瑟·库利，水项目主任太平洋研究所这家总部位于加州的可持续发展研究组织表示，竞彩足球app怎么下载大多数正向渗透技术仍处于研发阶段，商业应用需要5到10年的时间。

稀释溶液

另一种降低海水淡化能源成本的方法是RO-PRO，或反渗透压力缓凝渗透。roo - pro的工作原理是将受损的淡水来源，如废水，通过薄膜进入反渗透后残留的高盐溶液中，这些溶液通常会被排放到海洋中。两者的混合产生的压力和能量用于驱动反渗透泵。

由…所使用的系统所启发挪威国家电力公司南加州大学环境工程教授艾米·切尔德里斯和他的同事正在加州试验RO-PRO。切尔德里斯说，“乐观的”估计显示，roo - pro可以将反渗透所需的能源减少30%。她指出，一些未指明的公司对他们的试点表现出了兴趣。

重获和可再生能源

Fravel说，许多工厂都试图从这个过程中回收能源。例如，涡轮增压器从流出的浓缩盐水中获取动能，并将其重新应用到流入海水的一侧。“你可能会有900磅(每平方英寸)的饲料，浓缩液可能会以700psi的速度出来。这是一个很大的能量集中流，”他说。

在水进入膜之前进行预处理也可以节约能源。Fravel说:“在进入反渗透之前，清洁水的效果越好，运行起来就越好。”巴林、日本、沙特阿拉伯和中国的工厂正在使用预处理来实现更平稳的反渗透过程。

将可再生能源纳入能源投入方面，是提高海水淡化可持续性的一个特别有希望的方法。竞彩足球app怎么下载目前估计有1%的脱盐水来自可再生能源，主要来自小型设施。但大型电厂开始将可再生能源纳入其能源组合。

在与干旱作了多年的斗争之后，澳大利亚从2006年到2012年投资了100多亿美元，建成了6家海水淡化厂。Pankratz说，这些电厂都使用一些可再生能源发电，大部分是通过附近的风力发电场将能源送入电网。而为澳大利亚人口最多的城市提供约15%用水的悉尼海水淡化厂(Sydney Water desalination plant)，则是由南部约170英里(约合160公里)、拥有67台涡轮机的首都风电场(Capital Wind Farm)所抵消的。

太阳能对许多海水淡化严重的国家很有吸引力——尤其是那些阳光充足的中东和加勒比地区。在其中一个更雄心勃勃的项目中，阿拉伯联合酋长国能源公司Masdar在2013年宣布，他们正在建设世界上最大的太阳能脱盐工厂，日产能超过2200万加仑，计划在2020年投入使用。

环境影响

当然，使用海水的计划必须考虑对海洋生物的影响。许多海水淡化设施使用开放的海洋入口;这些通常是经过筛选的，但是海水淡化过程仍然可以在吸入或在工厂的处理阶段杀死生物体，Cooley说。新的地下进气口可以埋在沙子下面，将沙子用作天然过滤器，有助于缓解这种担忧。

此外，还有一个如何摆脱淡化后的大量非常海水水的问题。每两加仑设施的手段需要饮用一加仑水和一加仑的水是咸的，当它来到的两倍左右。大多数植物履行这一回相同的水体，用作进水源。

roo - pro技术提供了一种降低排放中盐分浓度的方法，因为盐分浓度会对海底生物造成伤害。另一种流行的方法是使用扩散器，这是一系列喷嘴，增加海水与浓缩物的混合量，防止出现高盐点。

在较新的最近的研究寻址放电海洋中的一个，阿斯顿大学戴维斯加热海水放电与太阳能转换氯化镁成氧化镁，他称之为“良好的代理，以吸收二氧化碳。”该研究还为新生阶段，但可能有减少排放，并使用太阳能发电扎普精矿从海洋清除二氧化碳的双重环境效益。

大小明智

埃拉说，较小的植物，如在阿曼的正向渗透装置，可能是海水淡化技术的未来。很多较新的创新，可以使规模较小的经济意义，而企业就不必在基础设施建设这么多的投资，他说。

Ela说:“我们可以把海水淡化厂的产量降低到每天1万加仑，而不是大型工厂。”“我看到了为小社区服务的分散化和小型海水淡化工厂。”

他说，这也将带来环境效益，比如允许可再生能源发挥更大的作用，因为用太阳能和风能发电小型电厂比大型电厂容易得多。

Pankratz说，淡化海水总是比处理淡水更昂贵。尽管如此，创新将帮助海水淡化成为一个越来越可行的选择，因为在一个日益缺水的世界里，对淡水的需求不断增长。

本文首次发表于Ensia。