新技术如何促进循环水的增长
一艘渡轮沿着旧金山湾拖着一条搅动着盐、沙子和淤泥的尾巴，进一步污染了John Webley打算变成饮用水的含糊液体。但湾区一家初创公司的首席执行官韦伯利（Webley）并不担心，该公司正在开发一种新的节能海水淡化系统。
“看看这个入口的颜色，”他指着一根管子说，管子将棕色液体送入一个家用炉子大小的装置中。在那里，通过一种称为正渗透的过程，公司开发的一种新的解决方案将水分子拉过膜，留下盐和杂质。当应用低温热时，生物工程溶液会像油一样分离出来，让干净的水被虹吸掉。
Webley说，这种方法使用的电量不到标准海水淡化所需电量的四分之一，这使得该技术更容易使用可再生能源。他的公司，特列维系统，最近赢得了一项国际低能海水淡化竞赛，并正在阿拉伯联合酋长国建造一座太阳能海水淡化试验厂。
随着世界对水的需求不断上升，随着气候变暖，像加州这样的极端干旱预计将变得更加频繁和广泛，从海洋和其他含盐来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，”加州大学伯克利分校土木与环境工程教授戴维·赛德拉克(David Sedlak)说《水4.0:世界上最重要资源的过去、现在和未来》他说，海水淡化和废水回收、收集和储存雨水将是“三个主要支柱”，以取代“在未来变得越来越不可靠和难以获得的水供应”。
然而，海水淡化是昂贵的、能源密集型的，并可能破坏海洋生态系统。此外，虽然海水在今天的淡化水中占60%，但塞德拉克和其他人说，淡化含盐量较低的微咸水并利用该技术回收废水更为实际和可持续。因此，世界各地的公司都在致力于开发新技术，以降低海水淡化成本、减少环境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。这包括淡化污水以补充地下水含水层，该公司很快将开始大规模地进行这一工作加利福尼亚南部城市水区．
韦伯利说:“这是我们特别感兴趣的地方——我们可以用非常非常脏的水。”“整个事情真正应该开始的地方是，让我们从重复使用中挤出我们能得到的所有东西，然后开始讨论其他选择。”
根据该报告，全球150个国家有超过1.7万家海水淡化厂在运营，到2020年，这一规模可能会翻一番联合国世界水资源发展报告2014．海水淡化每天能产生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。主要的新的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和杂质——使用大量的能源，并对环境产生巨大的影响。这些影响包括对水生生态系统的破坏，例如它吸收的水会吸收鱼卵;使用刺激性化学品清洗薄膜，并将大量高盐液体盐水释放回水中。成本各不相同，但反渗透工厂脱盐海水的最低价格约为每英亩英尺750美元(325851加仑)，是地下水平均成本的两倍多。
全世界的工程师和企业家现在都在努力设计更环保的海水淡化。一些人正在发明传统反渗透的新替代品。其中包括：以色列，其自身对脱盐水的依赖使其成为脱盐工艺的世界领先者，已经推出了几种最先进的技术，包括由Desalitech开发的新型“半批式”反渗透工艺，该工艺可收缩能源和盐水，以及由以色列生产的无化学品“盒子中的工厂”IDE技术；新加坡和德国的Memsys公司正在研究混合热膜技术，这种技术的节能程度足以使用太阳能。
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，一座耗资10亿美元的最先进反渗透设施正在圣地亚哥附近建造，计划于2016年初开始每天生产5400万加仑海水，为30万居民供水。西海岸至少还有15家海水淡化厂处于规划阶段，一些小型的海水淡化厂已经投入运营。
但居民对费用和环境影响（如化学品使用和盐水处理问题）的担忧已经放缓，甚至停止了最近的一些项目。
“在加州，海水淡化确实是一个热点问题——很多人反对它，”亚伦·曼德尔说水外汇．
曼德尔希望通过他的公司使用大型抛物面镜收集和浓缩太阳能量的新工艺来平息这些担忧。在这台太阳能蒸馏器内，纯水蒸发，而固体留在后面。该系统正在加利福尼亚州农业中心谷的一个水区进行测试，以清除被土壤中的盐分污染的灌溉径流。这次示威每天生产约14000加仑淡水，这对今年没有从联邦拨款中获得水的当地农民来说是一个福音。该公司计划在明年年初将产量扩大到每天200万加仑。
曼德尔指出，他的盐副产品是干燥的，可以开采出有用的化学物质，而不是用废弃成本高昂的危险盐水。更重要的是，供水区和农场不得不休耕土地，失去收入来处理含盐废水，这些废水现在被回收为新的作物用水。
他说:“我们看到了机会，可以把成本很高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个方面……处理和重用。
他说:“我们面临的最大挑战之一是，许多农业企业仍然在祈祷下雨。很多农民确实依赖这些季节性水循环。所以，让人们从不同的角度看待气候变化，而不仅仅是季节性干旱，绝对是一个挑战。”
劳伦斯利弗莫尔国家实验室和斯坦福大学的研究人员正在研究一种使用多孔碳气凝胶电极的脱盐新方法。他们称之为系统流过电极电容式脱盐，或FTE-CD，以电气方式除去盐。尽管仍处于早期阶段，但其开发人员表示，该技术只需要很少的设备或能源，而且该系统可以扩展以满足任何需求：从便携式个人设备到城市水处理。
“在像加利福尼亚这样的地方，有大量的咸水地下水，FTE-CD可以以潜在的比海水淡化更低的成本提供饮用水，”Lawrence Livermore的物理化学家Michael Stadermann说。“对于咸水的脱盐，我们预测这种方法的能源效率可能比反渗透高出5倍。”
在英国、沙特阿拉伯、韩国和其他地方实验室中最热的新技术之一是一种原子厚的多孔石墨烯膜，它可以将反渗透脱盐降低到其当前成本的一小部分。由麻省理工学院开发，该膜的孔隙可以调节以优化渗透性。目前的问题是如何大规模生产这种材料。
就城市用水需求而言，即使是那些研究替代方法的人也表示，在可预见的未来，反渗透(RO)可能仍将是首选。
“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”。
elielech说，近年来，反渗透已经变得更加节能，现在已经接近其最大值。尽管如此，他和其他人仍试图通过改进膜来取得进一步的进展。最大的问题之一是污染——随着时间的推移，生物膜会在膜上生长，使得水泵更难推动水通过。埃利米勒正在利用纳米技术制造耐细菌膜。
能源回收的新方法也减少了将水抽过膜所需要的电力。制造商能量回收公司．据估计，安装在新圣地亚哥地区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——相当于将超过45000吨使气候变暖的二氧化碳排除在空气中。
即便如此，新工厂生产的脱盐水将花费圣地亚哥县水务部门大约每英亩英尺2000美元——是目前从科罗拉多河和圣华金河三角洲运输淡水的两倍。然而，这些水源已被过度利用，而且越来越不可靠，这让一个水资源稀缺的县的居民感到别无选择。
有一天，世界上很多地方可能会感受到同样的压力，在干旱的未来，耐旱的水供应是无价的。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越来越可行，但经济和环境成本仍然太高。
“有一些技术可以最大限度地减少和在某些情况下消除一些环境影响，”该公司水项目主管希瑟·库利（Heather Cooley）说太平洋研究所例如，掩埋取水口可以将海洋生物挡在门外，扩散器可以将盐水稀释到更安全的水平。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方面的影响，但问题仍然是，“是否有其他替代方案?”
