2018年初,南非开普敦差点成为世界上第一个被禁的主要城市没水了.人们排着队收集泉水。商店里的水桶和碗之类的容器都卖光了。在这个城市旅游密集的地区,瓶装水是限量供应的。4月12日被指定为一天零——这一天,水就要干涸了。市政官员为应对骚乱做好了准备,军队和警察随时准备部署到水源地。

该地区的降雨量连续三年都很低,导致了干旱。多亏了市政府官员的大力执行节约用水——包括关税、严格的限制、新的水压系统,以及将农业用水重新导向城市——零日没有到来,此后不久降雨恢复正常。整个城市都松了一口气;避免危机。

但这一恐慌敲响了警钟,不仅对开普敦,对全世界缺水的城市也是如此。墨西哥城圣保罗开罗,许多其他人面临着水资源短缺。随着世界人口的增长和气候变化导致气温上升,水资源将变得更加稀缺。

如果有一种廉价、简单的方法可以从这些城市方圆几百英里内的数十亿加仑海水中提取盐分就好了。就目前的情况来看,海水淡化是昂贵和能源密集型的。让淡化海水的技术成为缺水城市的可行选择需要数年甚至数十年的时间,但世界各地的科学家团队正在取得渐进进展,慢慢地将我们推向一个水资源丰富的世界。

现在是脱盐技术

最常用的脱盐方法是热蒸馏和反渗透。在热蒸馏中,水被加热,直到纯蒸汽从盐和其他组分中分离出来。在反渗透中,大量的压力推动水通过过滤器将其与盐分离。

根据国际海水淡化协会在美国,有20516个海水淡化厂分布在150个不同的国家,为3亿人提供水。

现有最大的设施是沙特阿拉伯的Ras Al凯尔它使用了热蒸馏和反渗透两种技术,而以色列的Sorek则被誉为最大的世界上最便宜的反渗透装置2015年开业时。在海水淡化方面,中东是世界上遥遥领先的地区(考虑到其炎热的气候和海边的地理位置,这不足为奇);西部最大的工厂位于圣地亚哥附近每天生产5千万加仑的淡水。

阻止海水淡化成为更广泛的水源的最大问题是它的成本,包括环境和财政成本。热蒸馏和反渗透需要大量的能量(前者比后者多),而且相对于其他淡水来源来说仍然很昂贵。

最近的三个进展可能会有所帮助。

石墨烯薄膜变得更好

只有一个原子的厚度,石墨烯一种由碳原子排列成六角形晶格的材料,它的强度和导电性被广泛宣传,但到目前为止,它被证明很难规模化生产。石墨烯有望用于水过滤,但该技术还远未准备好用于大规模脱盐。

不过,它正在慢慢地靠近。上周,一个来自美国、中国和日本的国际研究小组发表了一份科学详细介绍了他们加固过滤用石墨烯膜的工作。

石墨烯可以用于过滤器因为它就像一个分子筛,有足够大的孔可以让水分子通过,但不能让盐分子通过,而且比目前使用的聚合物基膜更容易渗透,这意味着分离出来的水流动得更快。更快的流量意味着更少的能量,这意味着更低的成本。然而,石墨烯膜易碎和容易损坏,特别是当其表面积增加时;到目前为止,有效膜的尺寸仅限于微米级。

研究小组创造了石墨烯-纳米网格/单壁碳纳米管混合膜。纳米管作为微观框架来支撑石墨烯,并增加其结构完整性。其结果是一个厘米大小的蜂巢状网状物,当作为过滤系统的膜进行测试时,它可以从盐水中过滤掉85% - 97%的盐分。

一种新的方法:溶剂萃取

哥伦比亚大学工程学院的一个团队发表了一份研究环境科学与技术快报详细介绍了他们所谓的“完全不同的脱盐技术”,不依赖过滤器或蒸馏。

被称为变温溶剂萃取,其工作原理如下:在盐水中加入一种水溶性随温度变化的溶剂,在室温下,该溶剂吸收水分子(而不是盐)。然后将溶剂(及其新吸收的水)抽出并加热。高温使溶剂与水分离,然后可以无盐收集。

“我们认为,TSSE将改变水务行业。它可以取代目前昂贵的蒸馏淡化高盐度盐水的做法,并解决RO处理不了的高盐度问题。”领导这项研究的叶义贤(音)说。“这将从根本上提高采出水、内陆海水淡化浓缩液、垃圾填埋场渗滤液和其他越来越重要的高盐流处理的可持续性。我们可以消除这些卤水带来的污染问题,为我们的星球创造更清洁、更可用的水。”

在这项研究中,该方法被证明可以去除高达98.4%的盐,不仅对海水,对更咸的溶液也如此高盐度卤水;作者声称,TSSE可以处理大约两倍的海水盐浓度作为反渗透。而且由于它需要的热量比热蒸馏少得多,TSSE的规模化成本可能更低,可能使用工业废热或低浓度的太阳能集热器。

说到太阳……

事实证明,阳光不仅对太阳能有好处——它还有助于海水淡化。事实上,美国能源部提供了2100万美元用于太阳能热脱盐研究的拨款去年。太阳能热发电有望用于小型海水淡化,包括便携式和离网系统。

本周发表在美国国家科学院院刊发现使用纳米颗粒将阳光聚焦到光热活性膜上,蒸馏水的流量增加了50%以上。将光线集中在薄膜上的一个小点上,会导致热量的线性增加,但加热会导致蒸汽压力的非线性增加,迫使更多的纯化蒸汽在更短的时间内通过薄膜。

“提高太阳能驱动系统性能的典型方法是增加太阳能集中器,引入更多光线,”Pratiksha Dongare是这篇论文的主要作者之一。“最大的区别在于,我们使用的是相同数量的光。我们已经证明,以低成本重新分配能源,并显著提高纯净水的产量是可能的。”

有问题的解决方案

尽管海水淡化的承诺(最终也是必须的),但它可能不会成为解决世界水资源问题的灵丹妙药。即使这项技术变得更加节能和可负担,仍然需要考虑环境影响;海水淡化产生的废料是盐和化学物质的浓缩混合物,大部分都被排入海洋,在那里它会伤害海洋生物,并增加沿海水域的毒性。

反对者也指出,海水淡化的能源需求会产生高碳排放;因此,我们以更少的清洁空气为代价获得了更多的清洁水。

尽管有这些缺点,海水淡化的进展将继续缓慢前进。当这个世界真的需要它的时候,希望这些英寸加起来等于英里(呃,等于加仑)。

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