将海水淡化转化为饮用水会缓解水资源短缺吗?

随着世界水资源日益匮乏,研究人员开始转向海水淡化技术解决问题。世界许多地方,获取干净的,可饮用淡水的问题日益严重。通过人类活动和气候变化加剧,许多人预测严重的全球水资源危机将很快到来。 

因此,研究人员正在寻找人工制造淡水的解决方案。所谓的脱盐,是否可以将咸水(如海水)变成淡水,这是我们一直在寻找的解决方案?

什么是淡水危机?

我们生存的“蓝色星球”由于其表面约有70%被水覆盖,但淡水资源仅占所有水资源的0.5%,淡水资源非常缺乏。 这意味着,我们不断增长的全球人口实际上只能使用地球上约0.007%的水。另一个问题是,这种容易获得的淡水在世界各地分布不均。

由于饮用水对地球上的生命至关重要,因此对于“ 缺水 ” 地区而言,这并不是容易的事情。我们还用水生产食物,衣服,制造计算机和汽车之类的东西以及用于卫生等。 这对人类生活的各个方面至关重要。

在过去的几十年中,全球气温上升似乎也在增加极端天气事件的可能性,对于受灾地区,缺水是一个非常严重的问题。 

随着人口的逐年增长,以及对农业或一次性消费品之类水资源的过度使用,世界上某些地区正面临着非常严重的“淡水危机”。 

但是人类是聪明人。我们可以使用我们的技术来限制这场危机的影响吗?也许可以“创造”淡水? 

喝海水安全吗?

答案很简单,当然不 。像海水一样,喝盐水对人类(以及许多其他生物)可能是致命的。 海水中的盐含量远高于人类身体可以有效处理的盐含量。人体细胞确实要依靠氯化钠(食盐)(主要是钠)来维持人体的化学平衡和反应。但是摄取太多可能是致命的。

这是因为肾脏只能产生比海水少盐的尿液。这意味着,如果您只想喝海水,那么稀释盐和撒尿所需的水量要比喝海水时要多。

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概述肾脏肾脏中离子运动的示意图,右侧收集管,  来源M•Komorniczak / Wikimedia Commons

换句话说,你将净损失水。因此,如果你唯一的水源是海水,最终将因脱水而死亡(并且随着时间的推移变得越来越渴)。 因此绝对不要喝大量的海水。 

有什么方法可以使海水淡化?

既然地球上的总可用水只占淡水的一小部分,您可能会想是否有一种方法可以利用地球上其他大量水源(例如海洋)的巨大水库。事实证明,尽管可以付出很大的努力和费用,我们还是可以的。

目前,至少有三种主要的海水淡化方法:

  • 热脱盐(蒸馏)。
  • 电脱盐。
  • 压力淡化(反渗透)。
将海水转化为饮用水会缓解水资源短缺吗?
Stanvac港口海水淡化厂,  来源Vmenkov / Wikimedia Commons

热脱盐,又名蒸馏,是迄今为止这三种方法中最古老的方法,实际上已经使用了数千年。将盐水煮沸,然后将蒸汽冷却并冷凝为淡水,将盐晶体留在加热的容器中。 

但是,此方法需要大量的能源投资才能实现。斯坦福大学认为,更现代的方法“ 利用低压容器等各种技术来降低水沸腾温度,从而减少淡化所需的能量。”

这种淡化形式被广泛用于中东等地区,那里丰富的碳氢化合物资源可帮助降低燃料成本。热脱盐倾向于由 三个主要大规模热过程组成。

这些是: 

  • 多级闪蒸(MSF)。
  • 多效蒸馏(MED)。
  • 蒸气压缩蒸馏(VCD)。

还存在另一种散热方法。太阳蒸馏,通常用于非常小的生产率。通过将海水放在浅水池中并等待淡水自然蒸发-留下海盐,它也常用于生产食用盐。

从海水中去除盐分的另一种方法是使用膜将盐滤除。这可以使用电流或压力来实现。 

同样,这些方法主要用于能源丰富的地方,例如美国。 

电脱盐是基于膜的脱盐的一个例子,它利用电流来分离盐和水分子。使用这种方法,电流驱动离子穿过带有盐的选择性渗透膜。

将海水转化为饮用水会缓解水资源短缺吗?

选择性渗透膜是一种允许某些分子穿过而排除其他分子的膜。已经为各种研究和工业过程创建了合成或聚合物膜。

电膜脱盐有两种主要方法: 

  • 电渗析(ED)。
  • 电渗析逆转(EDR)。

对于海水使用而言,能源消耗太高了。

反渗透是淡化的另一种形式,它利用压力驱动水通过选择性渗透膜。与其他过程一样,此过程会将盐从溶液中分离出来。

从表面上看,与电动淡化类似,反渗透所需的大量能量取决于水中的初始盐含量。对于海水,所需能量意味着在大多数情况下其在经济上不可行。 

作为最常见的淡化形式,可能值得更详细地研究此过程。

什么是反渗透,反渗透有效吗?

如前所述,反渗透是一种脱盐过程,该过程使用压力将水分子逐个推过膜。与常规过滤(某些杂质不包括在尺寸中)不同,反渗透涉及溶剂在整个膜上的扩散,仅允许水通过。

常规渗透涉及溶剂从低溶质浓度(高水势)区域到高溶质浓度(低水势)区域的自然移动,直到达到平衡为止。顾名思义,在反渗透中,通过施加压力使渗透过程中的溶剂自然流动反向,从高浓度的给水(如海水)中提取水。 

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1000升反渗透设备,来源Vishalsh521 / Wikimedia Commons

除了压力之外,反渗透过程的主要组成部分之一是使用选择性渗透膜。

该膜允许某些颗粒(主要是水)穿过它,留下溶质(如盐)和其他污染物。在反渗透中,薄膜复合膜(TFC或TFM)仅用于此目的。

这些膜主要用于水净化和脱盐系统。它们还具有某些特性,使其可用于某些电池和燃料电池。 

这些膜通常由两层或多层材料构成。由Sidney Loeb教授和  Srinivasa Sourirajan共同开发的半透性各向异性膜通常由聚酰胺制成。 

这种材料具有一些非常有用的特性,包括对水的亲和力和对某些溶解杂质(如盐离子和其他小分子)的相对不渗透性。 

将海水转化为饮用水会缓解水资源短缺吗?

在典型的反渗透系统中,给水在高压下流过膜的同心螺旋形图案,该膜交替将水和污染物分离,然后将水收集到中央的产品水管中。为了获得最大效率,几个膜单元串联连接。 

将海水转化为饮用水可以解决缺水问题吗?

简而言之,是的。但这要付出巨大的代价。 

随着高质量淡水供应的减少,越来越多的社区开始转向淡化以从微咸水和咸水生产饮用水。现有解决方案旨在提取水并留下尽可能多的盐分。 

当前的技术既有优点也有缺点。尽管一些方法很有希望,但仍需要更多的技术开发以使其能够大规模生产淡水。

德州农工大学  解释说:“在无法获得优质饮用水和烹饪水的偏远地区,使用太阳能蒸馏器对咸水进行小型脱盐是一种有前途的方法。要更广泛地实施,脱盐工艺需要技术改进和增加能源效率。”

主要障碍是过滤成本以及产生淡水所需的能量要求。因此,现有解决方案主要用于民用和军用船舶以及某些航天器和其他缺乏进口淡水的地区。 

但是,在降低过程成本方面有一些有趣的进展。例如,几年前,德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员开发了一种创新替代方案。

另一个有希望的解决方案称为电容非离子化和电池电极去离子。但是,这些解决方案目前远未在商业上可行。这不只是成本费用。现有的海水淡化厂也对环境有害。 

大多数植物直接将海水作为来源水,随着植物周围水位的变化,它们可能杀死或伤害鱼类和其他小型海洋生物。该方法还倾向于产生需要处理的高盐分废物。 

出于这个原因,大多数海水淡化厂使用微咸水而不是海水。大型海水淡化厂的建造也很昂贵,通常 每座海水淡化厂的成本约为数亿美元。

话虽如此,许多公司正在对该技术进行大量投资,其中一些地方,例如以色列,已经生产了足够的水供应全国一半的用水量。 

对于缺水地区,这类工厂为水安全提供了一种保险政策。例如,加利福尼亚已经在建造一系列工厂。 

许多专家认为,大规模海水淡化可行的唯一方法是采用可再生能源为它们供电。只有降低相对运行成本,它们才具有经济可行性。 

随着全球气温升高以及世界许多地方发生干旱的可能性增加,海水淡化将变得越来越普遍。如果我们能够克服该淡化能源成本和环境成本,那么可以想到的是,脱盐可以成为解决缺水问题解决方案的重要组成部分。 

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