海水淡化的科学原理和方法流程（不用再担心淡水枯竭了）

以人类目前的探索结果来看，地球是宇宙当中独一无二的“蓝色之星”，之所以是蓝色，是因为地球的表面被海水覆盖的面积达到了70％以上。

地球约有132.2亿亿吨海水

按理来说，在拥有这么大海洋面积的情况下，我们不该缺水，无奈人体当中没有“过滤海水”的装置，因此海水再多我们也“难以下咽”。

不过，“海水淡化”技术的出现和发展却为人类带来了希望。而且在多年的研究探索中，“海水淡化”又有了新发现，据说可以提升40％的效率。那么这是否意味着人类再也不必担心淡水枯竭了呢？

我们会有132.2亿亿吨淡水了？

我们常说地球上的水资源非常丰富，但其实现状远没有我们想得这样好。此前，美国地质调查局和伍兹霍尔海洋研究所的研究小组就对地球的水资源进行了统筹，并且指出如果将这些水“聚”成一个球体，那么它的直径也只有1385公里左右，与重庆到上海的直线距离差不多。

仅仅是一滴“小水珠”

要知道，这个“水球”中可是包含了地球上所有的水，连生物体内的水都一并算上了。可是这些水和地球的个头比起来依旧不值一提，更别说这个水球当中大部分的水都是无法供人饮用的。

研究人员指出，如果将其中的海水以及咸水湖等这些解不了近渴的“远水”抽走，只留下淡水（大约占地球水资源总量的2.5%），那么这个水球将会变得更加“迷你”，其直径将缩小到160公里，仅相当于从上海到杭州的直线距离。

地球水资源的分布示意图

由此可见，地球上的水确实多，但是能拿来饮用的水却少得可怜。而且目前地球上的淡水，有68％以上都是冰川和冰盖，剩下的30％为地下水，像湖泊、地表径流等等在地球淡水资源总量里只能占到1.3％左右。

大家带着这种认知再去看南北两极冰川在这些年的融化状况，大抵就能想到咱们的淡水资源到底面临着什么样恐怖的危机了。

淡水资源的占比示意图

毫不夸张地说，水资源短缺早已成为了一个全球性的问题，并且在地球人口不断增长的趋势下，淡水资源的供需矛盾将会更加突出。

据联合国估计，目前全球约有40亿人每年至少有一个月面临资源性缺水问题，到2050年，全球将有570个城市淡水供给量减少10％，6.85亿人会受到水资源短缺的影响。

海湾国家的人均淡水供应量变化示意图

因此为了解决淡水资源短缺的问题，人们不约而同地将目光聚焦到了海水之上，并且已经将海水淡化作为一种让水资源开源增量的手段。此前海水淡化产业在各方面助力之下发展的就已经非常不错了，如今又有了全新的发现。

“海水淡化”的新发现

咱们先来了解一下海水淡化技术发展至今已经有了哪些。

首先说说化学方法，化学方法比较少只有两个，分别是水合物发河离子交换法。其次再来看物理方法，物理方法可以分为三大类，分别是热方法、溶剂萃取法、膜方法。

低温多效海水淡化过程示意图

值得一提的是，物理方法的三大类有些是能够进一步分割的，比如热方法之下又可以分为多级闪蒸、多效蒸馏、压汽蒸馏、冷冻法、增湿除湿，而膜方法可以具体分为反渗透和电透析。

目前工业上大规模引用的主要是多级闪蒸、多效蒸馏和反渗透法。根据资料来看截至2011年，全球有一万六千多家海水淡化厂，总装机容量达到了7.48×10^7m3/d，其中反渗透法的装机容量就占到了63％。不难看出，在海水淡化领域，膜方法的地位还是非常高的。

反渗透法的处理设备

所谓的反渗透法又叫做超过滤法，简言之就是使用特制的材料制成半透膜，让物质选择性通过，以此达到淡化的效果。这一方法起源于上世纪五十年代，在七十年代时开始得到商用。

根据资料来看，反渗透的基本原理就是通过压力驱动从而克服自然渗透的现象，经过预处理之后的海水会在高压泵的作用下，其中的水通过半透膜迁移到淡水那边，盐分和其他物质成分则留在海水这边，最终在耗能极低的情况下完成过滤目标。

研究显示，水通过半透膜的机理是水分子通过亲水性半透膜而扩散的能力要远强于盐分和海水中的其他成分，这也是半透膜半透性的本质所在。

典型膜法海水淡化工艺流程示意图

不难看出，在反渗透法当中，最关键的就是半透膜了，如果半透膜好使，海水淡化的效率肯定有所提升。因此，科学家的新发现也正是在这一领域。

科学家在研究的过程中，发现了提升效率的关键并不是这张膜到底有多薄，而在于让半透膜的密度能达到纳米级别，并且使这个半透膜的整张密度一定是要“均匀一致”的。

在这种情况下，它的过滤效果有所提升，整体的效率提升了大约40％左右。

半透膜过滤小分子的示意图

由此他们提出了改进的建议，为了让海水淡化的效率提升，人们应该将重点放在促使半透膜密度均匀一致的问题上，而不是只想着怎么将其变薄。

宾州州立大学的化学工程师恩里克·戈麦斯（EnriqueGomez）说：“您可以亲眼看到咖啡过滤器中某些地方的密度或高或低。在滤膜中，它看起来很均匀，但不是纳米级，而如何控制质量分布对于水过滤性能而言确实很重要。”

半透膜的概念图

举个类似的例子来方便大家理解，网眼大的渔网和网眼小的渔网，在捕鱼的时候“效率”肯定是不同的。并且如果大家只关注这个渔网够不够薄，忽略了各个部位是否存在网眼不一致的情况，那么即使捞到了鱼，鱼也能从大的网眼中溜走，这样的话咱们还是白忙活一场。

此外，披露此项研究成果的研究人员表示，如果按照这种方法去改进半透膜的话，还可以尽可能地为大型公司节省资金，让海水淡化的成本变得更低。这样的话，就能更好地解决淡水资源的危机问题了。

大型海水淡化工厂

既然有望用纳米级别的方法来改良半透膜，将海水淡化的概率提升40％，这是否就意味着我们的淡水资源短缺难题被彻底解决了呢？以后咱们再也不用担心淡水枯竭了？

海水淡化的用途和前景

实际上，海水淡化的进步只能补充淡水资源，起到“锦上添花”的效果。如果大家认为海水淡化可以直接承担所有的淡水消耗，那未免有些“盲目乐观”了。

目前海水还是难以完全“支援”淡水

因为海水淡化的效率再怎么提升，其成本依旧是很大的，并且一般来说，海水淡化完成后的水依旧是无法直接饮用的，还是需要进一步的的加工处理。

根据数据来看，2018年，全球海水淡化产能为6.2×10^7m3/d，除了运用于市政用水以外，剩下的都集中在工业领域。而哪怕是这样，依旧有大量人口面临水资源短缺的危机。

全球取水量示意图

要知道，海水淡化厂毕竟不是慈善组织，它们也是需要盈利的。更不用说，在淡化成本较高的情况下，去“为爱发电”助力水资源短缺的地区了。

综上所述，认为目前海水淡化就能帮我们解决所有难题的想法还是比较天真。并且由于传统海水淡化的方法依旧会产生污染和浪费，所以人们正在探索一条新的道路，试图让新型海水淡化技术进一步发展。

海水淡化技术仍需要继续完善

总之，海水淡化技术确实能为我们带来一定的好处，但人类依旧要保护和珍惜淡水资源，尤其是在全球变暖的影响下，淡水资源在未来恐怕会变得越来越少。

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