新技术是如何刺激循环用水的增长的
一艘渡船沿着旧金山湾疾驶，拖着搅起的盐、沙子和污泥的尾巴，进一步污染了约翰·韦伯利打算变成饮用水的已经浑浊的液体。但Webley并没有感到不安，他是旧金山湾区一家新公司的首席执行官，该公司正在研发一种新的节能脱盐系统。
“看看这个入口的颜色，”他指着一根管子，把棕色的液体注入一个家用火炉大小的装置。在那里，通过一种称为正向渗透的过程，该公司开发的一种新型溶液将水分子拉过薄膜，留下盐和杂质。当低温加热时，生物工程的溶液会像油一样分离出来，使干净的水被吸走。
Webley说，这种方法使用的电力不到标准脱盐所需的四分之一，这使得这项技术更容易使用可再生能源。他的公司特列维系统该公司最近赢得了一项国际低能源脱盐竞赛，目前正在阿拉伯联合酋长国建造一座用于脱盐的太阳能试验厂。
随着世界对水的需求不断上升，随着气候变暖，像现在笼罩着加州的这场极端干旱预计将变得更加频繁和广泛，从海洋和其他含盐水源获取淡水将变得越来越重要。
“最终，我们将不得不开发新的水源，”David Sedlak说，他是加州大学伯克利分校土木与环境工程的教授，也是《水》一书的作者“水4.0:世界最重要资源的过去、现在和未来。”他说，海水淡化、废水回收、雨水收集和储存将成为“三大支柱”，以取代“未来将变得越来越不可靠和难以获得的供水系统”。
然而，海水淡化是昂贵的，能源密集型的，并且会破坏海洋生态系统。此外，虽然目前海水占脱盐水的60%，但赛德拉克和其他人说，淡化低盐的半咸水，并利用该技术对废水进行循环利用，这更实际、更可持续。因此，世界各地的公司都在研究新技术，以降低海水淡化的成本，减少对环境的影响并扩大其应用范围。
除了从海水中去除盐分，像Trevi这样的技术还可以经济地净化含盐地下水、工业废水和其他形式的液体废物。这包括脱盐污水，以补充地下水含水层，这将很快开始大规模实施加利福尼亚南部的城市供水区。
“这是我们特别感兴趣的——我们可以在非常非常脏的水上运行，”Webley说。“你真正应该着手的是，让我们从重复利用中尽可能地挤出所有东西，然后开始讨论其他选择。”
全球150个国家有17000多家海水淡化工厂在运营，根据《世界能源报告》，到2020年，海水淡化的产能将增加近一倍联合国2014年世界水资源发展报告。海水淡化每天产生210亿加仑的水国际海水淡化协会它为中东和澳大利亚等干旱地区提供了重要的水源。新的主要海水淡化设施正在建设中中国,智利和其他地方。
然而，目前的标准技术，反渗透——高压泵迫使水通过半渗透膜，以排除盐分和杂质——使用大量的能源，并对环境造成巨大的影响。这些影响包括对水生生态系统的破坏，比如将鱼卵吸入水中;使用苛刻的化学物质清洁膜，并释放大量高盐液体盐水回水中。成本各不相同，但反渗透工厂淡化海水的最低价格约为750美元/英亩-英尺(325,851加仑)——是地下水平均成本的两倍多。
世界各地的工程师和企业家现在都在尝试设计更环保的海水淡化技术。一些人正在发明传统反渗透的新替代品。其中包括:以色列、脱盐水的依赖使其世界领袖在这个过程中,推出了最先进的技术,包括小说“semi-batch”反渗透过程由Desalitech减少能源和盐水,和一种不含化学物产生的植物在一个盒子里IDE技术;新加坡和德国的Memsys公司正在研究混合热膜技术，这种技术足够节能，可以在太阳能上运行。
在美国，缺水的加州在创新和需求方面都处于领先地位。西半球最大的海水淡化厂，耗资10亿美元在圣地亚哥附近建造的最先进的反渗透设备，将于2016年初开始日产5400万加仑，为30万居民提供饮用水。在西海岸，至少有15家其他的海水淡化厂正处于计划阶段，一些小型的已经开始运作。
但居民们对费用以及化学品使用和卤水处理问题等环境影响的担忧已经放缓，甚至叫停了一些近期的项目。
“海水淡化在加州确实是一个热点问题——许多人反对它，”亚伦·曼德尔说，他是该公司的联合创始人和主席水外汇。
Mandell希望通过他的公司使用大型抛物面镜收集和集中太阳能的新方法来消除这些担忧。在这个太阳能静止的内部，纯水蒸发，固体留在后面。该系统正在加州农业中心谷地的一个水区进行测试，清洁被从土壤中过滤出来的盐类污染的灌溉径流。这次游行每天生产大约14000加仑的淡水，这对今年没有从联邦政府获得水源的当地农民来说是一个好消息。该公司计划明年初将产量扩大到每天200万加仑。
曼德尔指出，他的盐副产物是干的，可以开采出有用的化学物质，而不是与危险的卤水混在一起，丢弃的成本很高。更重要的是，水区和农田为了处理现在被循环利用的用于种植作物的新水而不得不休耕土地和损失收入。
他说:“我们看到了一个机会，可以把耗费大量资金的废品变成有价值的东西。”“从本质上说，我们正在解决水问题的两面……处理和重用。
他说:“我们面临的最大挑战之一是，我们要处理的很多农业企业仍然在某种程度上祈祷下雨。很多农民确实依赖这些季节性的水循环。因此，让人们以不同的方式看待气候变化，而不仅仅是季节性干旱，绝对是一项挑战。”
劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)和斯坦福大学(Stanford University)的研究人员正在研究一种利用多孔碳气凝胶电极进行脱盐的新方法。他们称之为系统流过电极电容式脱盐，或FTE-CD，电去除盐。尽管还处于早期阶段，但它的开发人员表示，这项技术只需要很少的设备或能源，而且该系统可以扩大规模以满足任何需求:从便携式个人设备到城市水处理。
劳伦斯利弗莫尔的物理化学家Michael Stadermann说:“在像加利福尼亚这样有大量含盐地下水的地方，FTE-CD可以以比海水淡化更低的潜在成本提供饮用水。”“对于微咸水的脱盐，我们预测这种方法比反渗透的能源效率高5倍。”
在英国、沙特阿拉伯、韩国和其他国家的实验室里，目前最热门的一项新技术是单原子厚的穿孔石墨烯膜，它可以将反渗透海水淡化技术的成本降低到当前成本的一小部分。这种膜是由麻省理工学院开发的，它的孔隙可以被调整以优化渗透性。目前的难题是如何大批量生产这种材料。
对于城市用水需求，即使是那些正在研究替代方法的人也认为，在可预见的未来，反渗透(RO)仍将是首选。
“你可以谈论一些其他的技术,我在其中的一些工作,“梅纳以利米勒说,耶鲁大学环境与化学工程教授,耶鲁大学的环境工程项目主任,“但如果你需要产生水的饮用水供应,我仍然认为罗是黄金标准”。
近几年来，反渗透已经变得更加节能，现在已经接近其最大限度，Elimelech说。尽管如此，他和其他人仍试图通过改进膜来获得进一步的收益。最大的问题之一是污染——随着时间的推移，在膜上生长的生物膜使泵工作更困难，迫使水通过。Elimelech正在利用纳米技术制作抗细菌膜。
能源循环利用的新方法也减少了将水泵入薄膜所需的电力。制造商能量回收公司。据估计，安装在圣地亚哥地区新反渗透工厂的活塞式压力交换器每年将节省115千瓦时的电力——相当于将45,000吨导致气候变暖的二氧化碳排除在空气之外。
即便如此，新工厂生产的脱盐水将花费圣迭戈县水务局大约2000美元/英亩-英尺，是目前从科罗拉多河和圣华金河三角洲运输淡水费用的两倍。然而，这些资源被过度利用，而且越来越不可靠，这使得水资源匮乏的县的居民感到他们没有其他选择。
有一天，世界上大部分地区可能也会感受到同样的压力，在干旱的未来，抗旱水将成为无价之宝。但就目前而言，许多专家表示，尽管新兴技术使海水淡化变得更加可行，但经济和环境成本仍然过高。
“有一些技术可以最大限度地减少甚至在某些情况下消除对环境的一些影响，”该中心的水项目主任希瑟·库利(Heather Cooley)说太平洋研究所例如，埋置取水口可以将海洋生物挡在外面，而扩散器可以将盐水稀释到安全水平。至于“其他环境影响:能源使用和由此产生的温室气体排放”，库利说，技术进步正在降低这两者，但问题仍然是，“有没有其他替代方法?”
上图为美国犹他州天然植物通过达伦·j·布拉德利通过在上面
