水资源问题的技术答案

                  最近，“非洲之角”索马里又一次出现在新闻报道中，遗憾的是，原因仍然是饥荒。而饥荒的原因又是什么？有人说是气候，有人说是战争。大约50年以前，索马里每10年左右发生一次旱灾。上世纪70年代，每7年1次，90年代变为每两三年一次。气候和战争对饥荒的影响也许是同一枚硬币的两面，干旱的气候减少收成，而连年的军阀混战直接削弱了以放牧为生的索马里人抵御自然灾害的能力，使干旱的影响更大，食物的稀缺又将带来更多的战争。

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　　为什么除了也门以外，其他几个国家好像很少因为干旱出现在新闻里？因为它们都采用了海水淡化技术来满足国内需要。马尔代夫绝大多数的岛屿依赖淡化技术，沙特目前由14个淡化工厂提供国内50%的淡水需要。巴林、约旦的海水淡化项目也为两国提供了大量淡水。但是，如果我们看看需要通过进口满足国内大部分淡水需求的国家名单，其中也不乏岛国和沿海国家，如阿根廷、孟加拉、柬埔寨、埃及、荷兰、越南等，不难看出，距离用海水淡化解决人类的水资源问题还有很长的道路要走。

　　海水淡化的原理实际上并不复杂。据说早在公元前49年，凯撒大帝的军队就在地中海边利用阳光蒸发海水，再收集冷凝后的水蒸气获取淡水。时至今日，这种蒸馏法仍然是许多海水淡化工厂采用的方法。和所有“大力出奇迹”的方法一样，蒸馏法简单直接，易于实施，却也有耗能和成本高的缺点。据汉堡大学一项研究估计，通过蒸馏法淡化海水，成本相当于将同等重量的淡水抬升2000米，或者在地面上运送1600公里。换算一下，得到1吨淡化水约要消耗10度电。要是在北京，不考虑运输成本，等于水价在现在基础上要涨一倍还多。近年来，因为核电站和许多热电厂选址都在海边，而且发电过程牵涉到蒸发大量的海水，人们将发电后的蒸汽冷凝，就得到了淡水。这种“共发电”技术提高了海水淡化的经济性。另外，通过选址的合理规划和使用太阳能等新能源，蒸馏法的成本也会降低不少，但要用蒸馏法实际解决淡水问题，许多小国家仍然无力承受。

　　另一种普遍使用的海水淡化方法是反向渗透法。渗透现象简单地说就是，水会向缺水的地方移动，盐会向盐少的地方移动。比如我们把一个新鲜白萝卜切成条放在装满盐水的罐子里，不久就会发现萝卜条变细变软了，而罐子里的水如果没有蒸发，也变多了——下稀饭用的咸萝卜条做成了。从物理上说，这是因为水分子和盐离子都在不断运动，当一边盐离子多的时候，它运动到另一边的机会就多，因此盐离子会不断从较多的一边向较少的一边渗透，水分子也是如此。而反向渗透是一个相反的过程，就像我们不是要把白萝卜变成咸萝卜条，而是要让罐子里的水进入萝卜里，盐还留在萝卜外面。

　　自然状况下，反向渗透是不会发生的。但通过在渗透面的咸水一侧加高压，同时使用只允许水通过的渗透膜，人们可以克服淡水一侧水分子进入咸水侧的压力，逆转自然的渗透过程，使水分子从咸水向淡水移动，实现海水淡化。产生高压需要的能量较少，因此反向渗透法甚至可以应用到便携式的小型净水设备中，但小型反向渗透设备提取1吨水，需要排出8~18吨废水，效率很低。大型反向渗透淡化厂的效率也只有48%左右。

　　随着能源供应越发紧张，以及气候变化对减少温室气体排放的要求，减少海水淡化能源成本的呼声越来越高。而淡水资源日渐缺乏，也让海水淡化新技术的研究一天比一天重要。最近，新加坡政府和西门子公司合作建立了一家示范工厂，使用电渗析方法进行海水淡化，效果不错。这种方法中，海水通过一系列管道，管道内壁交替覆盖两种特殊的渗透膜，一种只允许正离子通过，一种只允许负离子通过。在管道两侧通电，形成一个电场，将使正离子和负离子通过管壁的渗透膜被排除，剩下的就是淡化后的水了。为了使淡化水达到饮用标准，海水要在这套系统中循环两次，再进入一个离子交换池进一步去除产生咸味的钠离子。通过这种方法淡化海水，能量消耗只相当于最节能的反向渗透法的一半，大约是每吨淡化水耗能1.8度。

　　另一种新技术是正向渗透，就是把海水和另一种更高浓度的溶液分别放在渗透面的两端，不用任何能量，海水中的水就能渗透到高浓度溶液中。之后，可以通过物理或化学方法再将高浓度溶液中的水和溶质分开。据采用这种技术的“现代水务”（Modern Water plc）公司的报告，这项技术在渗透环节的能耗也仅相当于反渗透技术的一半左右。不过在分离环节，这种方法还有一些能耗。

　　也有不少人在试图改进传统的海水淡化技术，比如在反向渗透法中，将反向渗透工艺与超细滤膜工艺结合，生产更清洁的饮用水。通过使用低压反渗透膜、抗污染膜、带电反渗透膜等技术，反向渗透淡化技术的成本可以进一步降低，或使获得的水纯度更高。蒸馏法的改进，主要是使用可再生或发电效率更高的能源，如太阳能、核能等，并通过调节蒸发过程中的气压、回收蒸汽的热能等方式，提高能源使用效率。

　　海水淡化在过去也许只是沿海地区不得已的选择，随着技术的发展和水资源问题的日益突出，海水淡化的成本已经有望接近其他的水资源获取方式。在海湾地区，由于需要处理的水量大，目前海水淡化还是以蒸馏法为主，而世界其他地区从能源成本的角度考虑，使用非蒸馏技术的越来越多。可以预见的是，随着海水淡化需求的增加，对海水淡化企业技术和设计能力的要求会提高。能够有效地结合多种淡化方式的优势，或是能够在某种淡化技术上大大超出同行的企业，将成为这个新兴市场的领跑者。