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海水变淡水

海水能变淡水吗

在海滨浴场嬉戏，偶尔喝上一二口海水，你会感到又咸又苦。用海水浇灌普通的农作物，不用多久农作物就会被“腌死”。这又是什么原因呢？原来，海水中溶解了大量的盐类。海水的平均含盐量可达35‰。左右，也就是说，在1立方千米的海水里大约含有3500万吨的盐类物质。而人们日常的饮用水的含盐量仅在 0.5‰。左右，而工农业用水的含盐量也不能超过3‰。人类面对着浩瀚无比的海洋，难道就不能把海水变成淡水吗？
相传，神话中的观音菩萨有一种高超的本领：只要把手中的杨柳枝条轻轻一甩，就可以把海水变成甘露。那么，在现实生活中能不能把海水变成淡水呢？千百年来人们一直在寻找把海水变成淡水的“法宝”。

亚里士多德的实验

公元前4世纪，古希腊出了一位著名的哲学家和自然科学家——亚里士多德。有人称亚里士多德为自然科学的鼻祖。因为他曾做过一个当时看起来十分有趣的实验。他把咸水放在半封闭的容器里，然后加热将咸水烧开。随之，他惊奇地发现，水蒸气中已不再含有盐分，凝结成的水珠也不再有咸味。这个实验可以说是世界上最早的一次海水淡化试验，亚里士多德所采用的方法就是人们现在所说的蒸馏法。
海水淡化也可称为海水脱盐，无非就是把海水中的盐和水分离开来。从海水中取出淡水来，或者把海水中的盐除去，都可以达到使海水淡化的目的。人们沿着这两种途径，找到了数十种海水淡化的办法。

种种蒸馏法

上面提到的蒸馏法便是海水淡化中最古老最简便的一种方法。蒸馏法的原理其实很简单，就是使海水受热汽化，再使水蒸气冷凝，从而获得淡水。其过程与自然界中海水受热蒸发，变成云雨的情况相仿。据记载，至少在17世纪初就已有人在帆船上使用蒸馏器用海水制取淡水了。
早期的海水淡化蒸馏装置存在一个严重的缺陷，在加热海水使之变为水蒸气时需要消耗大量的热能，而水蒸气在冷凝过程中大部分热能又为冷凝器所吸收，因此很不经济。为解决这个问题，人们作出了很大的努力。从本世纪50年代起，多级闪急蒸馏法、多效蒸馏法、压气蒸馏法等新方法相继问世，并不断完善。同时，太阳能蒸馏法也在某些方面获得了突破性的进展。
目前技术上最为成熟的蒸馏法首推多级闪急蒸馏法。就数量和造水量而言.它都占绝对优势。这是从本世纪50年代后期发展起来的一种海水淡化方法。它的出现，是海水蒸馏淡化发展史上的一次飞跃。
这种方法最吸引人的地方，在于它采用了减压的节能办法。由物理学的相交理论可知，液体的沸点温度是随外界的压力而变化的。外界的压力大，则沸点高；外界的压力小，则沸点低。水在 1个大气压下，沸点是 100 ℃，而在地面气压较低的西藏高原，沸点则在80℃左右。
闪急蒸馏时，先将海水在管路中加热，然后引至一个压力较低的设备（闪蒸室）中，这时海水便急速汽化，此即“闪急”名称的由来。在闪急蒸馏过程中，海水温度迅速下降到与闪蒸室压力所对应的饱和蒸汽温度，温度降低所放出的这部分热量便成为闪急蒸馏使海水汽化的热能，而不再需要外界提供热量。所产生的蒸汽经冷凝器冷凝，便得到淡水，而冷凝器中的冷却剂就是海水，从而使海水预热，回收了热能。若使预热后的海水依次进入多个压力逐级降低的闪蒸室，进行逐级闪蒸和冷凝，便组成了一个多级闪急蒸馏系统。
多效蒸馏虽然是蒸馏法中最早问世的一种大型海水淡化系统，但由于结垢严重而一度处于停滞状态。70年代以后，随着防垢技术的进步，它又东山再起。目前，人们已建成了日产淡水54000吨的大型多效蒸馏系统。
多效蒸馏与多级闪急蒸馏的工作流程有些相似。它是将多个蒸发器按压力逐级降低的顺序串连起来。串连蒸发器的个数，称作效数。它把经前一效蒸发器产生的蒸汽（二次蒸汽）用作加热进入后一效蒸发器海水的热源，使海水汽化。经过这样的串联，热利用效率提高了，能源也节约了。
但是总的来说，无论是多级闪急蒸馏，还是多次蒸馏，其热利用效率还是很低的。其主要原因在于，蒸发过程中所消耗的绝大部分热量都被用来加热海水，使之汽化，而二次蒸汽的热量并未充分回收利用。即使是多次蒸发，最后一次的二次蒸汽也是白白废弃的。因此，有人提出了通过蒸汽压缩的方式，提高二次蒸汽的温度和压力，再把它作为加热蒸汽循环使用，以提高系统的热利用效率。按照这种想法，70年代初研制成功了一种新型的海水淡化系统——蒸汽压缩蒸馏系统。
蒸汽压缩蒸馏系统是蒸馏法中热利用效率最高的一种系统。由于高效离心式压缩机的研制成功以及机械密封技术的提高，确保了压气系统运行的可靠性和造水质量。它的热利用效率较高，结构简单且适应范围广。最近，法国有家公司研制成功了一种4次的蒸汽压缩蒸馏系统，造水能力为每天1500吨，每吨水的耗电量仅为11千瓦·时。正由于这些优点，它的发展十分迅速，1990年，全世界日产水量超过100吨的蒸汽压缩蒸馏系统已达590多个。
利用太阳能蒸发海水来生产淡水，可以说是对自然界中海水在阳光照射下蒸发然后凝结形成云雨过程的一种模仿。它最大的优点是节约能源。
直接利用太阳能来蒸馏海水的历史可以追溯到上个世纪80年代，但直到1972年，智利才建立了世界上第一个顶棚式太阳能蒸馏装置。这种蒸馏装置是一个用混凝土制成的池子，池内充满海水，池面的上方覆盖着一层玻璃罩。阳光通过玻璃罩加热池内的海水，罩的下沿安装了若干倾斜的沟槽，凝结的淡水细流顺槽而下，聚积起来。利用这种装置产出的淡水并不多，即使在最有利的条件下，每平方米水面的日产淡水量也不超过5千克。因此，为了增加日产淡水量就必须增加水池面积。以后，世界上又出现了倾斜式太阳能蒸馏装置，这种装置将产水量提高了30％ ～ 60％。
多年来，太阳能蒸馏装置热能利用率比较低，产水量也不高。所以，有人设想是否也可把它制成多效或多级的，以提高热能利用率呢？ 1982年，日本在冲绳建立的太阳能多效热扩散蒸馏装置，就是根据这种设计思想建成的，它的产水量大约为顶棚式的7.5 ～ 10倍。稍后，出现了效率比较高的间接太阳能淡化法。先用集热器将光能变为热能，或用太阳能电池将光能变成电能储集起来，然后，把它作为海水淡化的能源。日本、阿联酋等国家都建成了这样的太阳能蒸馏装置。
总的来讲，太阳能蒸馏由于一次性投资大，所以造水的成本比一般蒸馏法要高。不过，它能节约能源，对于能源缺乏、日照时间长的海岛或沿海地区，仍不失为是一种具有吸引力的好方法。

神奇的功能膜

如今，人类已经找到了可以把海水变成淡水的“法宝”。这样“法宝”的名字就叫做“功能膜”。什么是功能膜呢？简而言之，就是一种具有某种选择透过性的薄膜。别小看这种厚度还不到1毫米的薄膜，人们用它创建了海水淡化史上新的里程碑。
功能膜确实具有神奇的魔力，1954年，美国人利用一种名叫离子交换膜的功能膜，建造成功世界上第一台日产106吨淡水的电渗析淡化装置，开创了膜法海水淡化的新纪元。
离子交换膜分阳离子膜（简称阳膜）和阴离子膜（简称阴膜）两种。阳膜带负电，只让带正电荷的离子通过；阴膜带正电，只让带负电荷的离子通过。正是利用离子交换膜的这种神奇功能，人们研制出了形形色色的电渗析淡化装置。
人们都知道，海水是导电的。这是因为海水实际上是含多种盐类物质的溶液，在海水中盐类物质以金属离子和酸根离子的形式存在着。海水中含量最大的是氯化钠，即食盐。氯化钠中的钠离子带正电，氯离子带负电。因此，如果把海水中的正、负离子都去掉，就等于把海水中的盐类给去掉了，那么留下来的就是没有盐分的淡水了。由此人们提出了一个巧妙的海水淡化方案：将阳离子交换膜和阴离子交换膜置人盛有海水的容器中，将海水分隔成三个部分。通电后，海水中的离子就按自己的带电性质运动。正离子穿过阳离子交换膜趋向负电极；负离子则穿过阴离子交换膜趋向正电极。当两膜之间海水中的阴、阳离子都跑掉时，留下来的就只有淡水了。这就是电渗析海水淡化的原理。
用电渗析法淡化海水，最关键的材料是阴、阳两种离子交换膜。目前，开发离子交换膜的技术已趋成熟。电渗析方法不仅可以应用于海水淡化，而且还可应用于海水浓缩制盐、牛奶及乳清脱盐、药物制造、血清疫苗精制等方面。特别是用电解食盐水制备烧碱的方法，带来了烧碱工业的一场革命。
人们还研制出一种反渗透膜。它具有让淡水畅通无阻而对盐分禁止通行的功能。实际上，人们对此并不陌生。猪尿泡和人体细胞膜就是一种反渗透膜，人体细胞是由细胞核、细胞质和细胞膜组成的。细胞膜允许水分自由出入，而禁止盐分随意通行。反渗透海水淡化正是利用了类似细胞膜的功能。
如果用这种反渗透膜把一个容器分隔成两部分，在一侧放进淡水，另一侧放进海水，刚开始时使两者的液面高度保持一致。过了一会儿海水一侧的液面高度渐渐升高了。但是，这种升高不是无止境的，当海水和淡水两者的液面高度差达到一定值时液面就会静止。两者液面高度差所对应的压力就是渗透压差。一般来说，含盐量越高，溶液的渗透压就越大。这时，如果在海水液面上再施加一个比渗透压差更大一些的压力，将会发生什么变化呢？人们就会看到与上述现象相反的过程，海水的液面又慢慢地降下去了，最后剩下的只是浓度更大的海水。这种通过加压产生的与自然渗透相反的过程称作反渗透。有了反渗透膜，利用反渗透的原理，就可以设计出另一种新型的淡化装置——反渗透淡化器了。
反渗透海水淡化的关键是反渗透膜的选择性能。1960年，美国的罗伯等人用醋酸纤维制备出了世界上第一张商业性反渗透脱盐膜，并用它获得了相当可观的淡水产量。这一发现，改变了膜法淡化海水的历史。由于用反渗透法淡化海水费用低，耗能少，脱盐效率高，适用范围广，所以它已成为目前海水淡化中最有发展前途的方法之一。在沙特阿拉伯，人们已建成日产128000吨的世界上最大的反渗透淡化工厂。
近几年来，又出现了一种叫做蒸汽透过膜的功能膜，它是一种只能让蒸汽通过的疏水性的微孔薄膜。有了这种膜，又诞生了一种新型的膜法淡化技术——膜蒸馏。
早在本世纪60年代就有人提出过这种方法，但当时由于种种原因，膜蒸馏法并未能引起人们的注意。直到80年代初，美国和瑞典的科学家相继公布了他们的实验结果后，这种方法才开始成为人们关注的热点。
膜蒸馏是将膜技术与蒸馏技术结合为一体的新型脱盐方法，其工作原理并不复杂。简而言之，就是让水蒸气通过疏水性微孔膜中的气体介质——空气，从膜的一侧（海水侧）迁移到另一侧（淡水侧），并在淡水侧凝结为水的过程。驱动这个过程的动力是膜两侧海水和淡水液面上饱和蒸汽压的压力差。要满足这一条件，只要使膜两侧保持一定的温度差异就行了，因为不同的温度所对应的饱和蒸汽压是不同的。温度高，对应的饱和蒸汽压就大；反之，温度低，对应的饱和蒸汽压就小。按照这个原理，高温海水侧的水蒸气便会源源不断地向低温淡水侧迁移，并凝结成淡水。
膜蒸馏具有设备紧凑、操作简单、性能稳定、产水质量高等优点。特别是，它可在常压下进行，无需把海水加热到沸点，又可设计成潜热回收的形式，因此可望成为大规模、低成本制备淡水的有效方法，难怪近几年来发展特别迅速。

淡化技术群芳争艳

目前世界上基本采用两种海水淡化方法，即蒸馏法和膜法。但是，海水淡化并不仅限这两种方法，新的海水淡化方法目前正不断诞生。
海水结冰时，只有纯水才能呈冰晶析出，盐则不随水析出，取冰融化，可得淡水。利用这一原理进行海水淡化的方法，即为冷冻法。
美国、以色列、英国等国的科学家研究出了一种冷冻脱盐装置。他们把不溶于水、沸点接近于海水冰点的丁烷作为冷冻剂，把它与海水混合，经预冷后进入冷冻室中。室内温度约为－3℃，压力稍低于地面气压。这时丁烷便汽化吸热，使海水冷冻结成冰。
某些有机溶剂，如三乙胺等，在低温下能溶解一定量的水，而当温度升高时，又能将溶解的水分离出来。利用这一特性，又产生了一种新的海水淡化方法——溶剂萃取法。
某些气体化合物，如丙烷等，与水互不相溶，但在低温下能与水结合形成多分子的水合晶体，利用这一特性进行海水淡化的方法称为水合物法。
利用离子交换树脂的活性基因，与海水中的阴、阳离子进行交换，用树脂中的氢氧根离子取代阴离子，用氢离子取代阳离子，最后氢氧根离子与氢离子结合成水，海水中的盐则被去掉，这种方法叫做离子交换法。
还有一种海水淡化方法更特别，叫做植物海水淡化法。本世纪80年代，人们发现红树能够淡化海水，可作为未来价廉物美的“植物海水淡化工厂”。据美国一些科学家的研究表明：深褐红树能从海水中吸收盐分，并把盐分送到叶片上，而又把水保存在体内。一些研究人员认为，可用红树林来充当大型海水淡化厂。据估计，如果在海岸和耕地之间种上一片宽为500米的红树林，当海水通过这片红树林时，海水的含盐量就可以从35‰下降到17‰，这样的水就可以用来灌溉某些农作物了。
目前，海水淡化技术尽管已经取得了令人瞩目的进展，但是要真正解决人类面临的水资源危机人们还须花极大的努力。