2018年初，南非首都開普敦發(fā)布了自來水“零日”預(yù)警：預(yù)計(jì)到4月，當(dāng)水庫(kù)儲(chǔ)量低于13.5%時(shí)，全市所有居民區(qū)和絕大多數(shù)公共場(chǎng)所的自來水將停止供應(yīng)，人們只能排隊(duì)到公共取水點(diǎn)領(lǐng)取少量水。隨后，開普敦實(shí)行“6B級(jí)”用水限制措施，規(guī)定每人每天消耗水量不得超過50升。在政府機(jī)構(gòu)和所有市民共同努力下，開普敦最終避免了斷水，迎來了多雨的冬季。6月，冬雨降臨，河流與水庫(kù)的水位逐漸回升。然而，開普敦的限水措施仍在繼續(xù)，人們必須時(shí)刻注意節(jié)約用水，才可能避免下一次斷水危機(jī)。

開普敦雖然是一個(gè)極端例子，但它絕不是唯一一座嚴(yán)重缺水的城市。圣保羅、開羅、班加羅爾……水資源短缺的城市還有很多。即使是公認(rèn)氣候濕潤(rùn)的倫敦，每年降雨量也不過600毫米。據(jù)估計(jì)，倫敦到2025年就可能出現(xiàn)供水不足的問題。隨著人口增長(zhǎng)，水資源短缺只會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重。聯(lián)合國(guó)2007年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全世界有16億人所需的飲用水得不到保障。預(yù)計(jì)到2025年，全世界將有18億人生活在缺水環(huán)境中。

2018年1月，開普敦多座水庫(kù)幾近干涸。

為了解決缺水問題，許多城市都把目光投向似乎取之不盡的水源——海洋，利用海水淡化技術(shù)獲取淡水。當(dāng)越來越多的海水淡化裝置投入使用，科學(xué)家開始把注意力投向海水淡化后留下的濃鹽水（鹵水）。他們指出，把海水淡化后剩余的鹵水直接排放到環(huán)境中的做法存在很大隱患。幸運(yùn)的是，更先進(jìn)的淡化方案已經(jīng)出現(xiàn)。

鹵水的隱患

隨著人口不斷增長(zhǎng)，許多地方都沒有充足易得的淡水資源（如水量充沛的河流和水庫(kù)，或易開采的地下水）來滿足人們對(duì)水資源與日俱增的需求。有兩種方法能增加淡水來源：一種是大規(guī)模回收和凈化廢水;另一種是利用海洋或咸水瀉湖的咸水。

海水淡化技術(shù)得到普遍使用。根據(jù)國(guó)際海水淡化協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2005年，世界各地的海水淡化裝置每天生產(chǎn)約400億升淡水;到了2015年，全球近1900家工廠每天能生產(chǎn)870億升淡水。絕大多數(shù)海水淡化工廠位于波斯灣附近的干燥國(guó)家，但其他地方的工廠也越來越多：澳大利亞阿德萊德市大約一半的供水來自一家巨大的海水淡化工廠;開普敦正在建造多座海水淡化裝置;美國(guó)加州正在建設(shè)8家新的海水淡化工廠……

海水淡化有望解決很多地區(qū)水資源短缺的問題，然而，經(jīng)過淡化過程后剩下的鹵水可能造成新問題。目前，海水淡化工廠一般用反滲透技術(shù)處理海水，即對(duì)海水施加壓力，使其中的水分子通過一種能濾除鹽離子的半透膜，“擠出”淡水并留下高鹽度鹵水。這些鹵水的鹽度大約是最初海水的2倍，大多數(shù)工廠會(huì)將其直接排到海洋中。這種做法令一些科學(xué)家感到擔(dān)憂。

海水淡化的基本流程

不同海域的海水鹽度各不相同，全球海水的平均鹽度為35‰，也就是說每1千克海水中大約含有35克鹽。而鹵水排放可能導(dǎo)致局部海水鹽度大幅增加。海洋中的生物都適應(yīng)于其所在海域的鹽度，一旦海水鹽度超過海洋生物所適應(yīng)的水平，就可能使它們的細(xì)胞無法正常代謝。

2012年，美國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中模擬了高鹽度的海洋環(huán)境，探究鹽度增加對(duì)海洋生物的影響。結(jié)果顯示，很多海洋生物似乎都能適應(yīng)海水鹽度增加，但巨藻等關(guān)鍵物種則可能面臨生存危機(jī)。巨藻是一種大型褐藻，大量巨藻常常聚在一起，形成茂密的“海藻森林”，為多種海洋動(dòng)物提供重要的棲息地。研究發(fā)現(xiàn)，最適宜巨藻生長(zhǎng)的海水鹽度為20‰～35‰。由于太平洋的海水鹽度已經(jīng)達(dá)到35‰，鹽度增加可能對(duì)巨藻生長(zhǎng)造成很大影響，進(jìn)而影響依賴于巨藻的生態(tài)系統(tǒng)。

一項(xiàng)研究顯示，在海水淡化工廠密集的阿拉伯灣和紅海沿岸，海水鹽度從1996年到2008年增加了一倍多，預(yù)計(jì)到2050年還會(huì)再翻一番。目前，科學(xué)家還不清楚鹵水對(duì)海洋環(huán)境到底會(huì)造成多大影響?，F(xiàn)有的研究大多集中于探索鹵水出水口附近物種短期內(nèi)的變化，尚未探明鹵水排放在大范圍海洋生態(tài)系統(tǒng)中可能造成的長(zhǎng)期影響。此外，鹵水的成分、排放方式、擴(kuò)散速率以及海洋生物對(duì)鹽度的敏感性等因素，都會(huì)使鹵水排放對(duì)特定海域生態(tài)的影響產(chǎn)生很大差異。

鹵水排放（上）可能對(duì)“海藻森林”（下）的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

正滲透與反滲透

盡管如此，為避免海水鹽度增加的潛在風(fēng)險(xiǎn)，很多海水淡化工廠都改進(jìn)了排水口結(jié)構(gòu)，使鹵水和海水充分混合，避免局部海水鹽度劇增。還有一些工廠把鹵水稀釋后再排放到海洋中。用于稀釋鹵水的淡水是經(jīng)過處理的污水或工業(yè)設(shè)施的冷卻水，這樣的水雖然達(dá)不到飲用標(biāo)準(zhǔn)，但可以排放到海洋中。但這種做法似乎不合邏輯。淡化海水和凈化污水都要消耗能量，人們卻把凈化后的污水和鹵水一起直接排放到海里，這是不是一種浪費(fèi)呢？

一種新的工程技術(shù)可以降低這一過程的能耗。為了淡化海水，反滲透裝置通過施加壓力來對(duì)抗水從低鹽度溶液流向高鹽度溶液的自然傾向，這一步需要消耗能量。相反，如果順應(yīng)這種自然趨勢(shì)，讓低鹽度溶液（處理后的污水）水通過半透膜自然滲透進(jìn)裝有鹵水的容器，使容器中的水壓增加，這種高壓的水可以用來驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，通過一個(gè)名為“壓力延遲滲透”（PRFO）的過程產(chǎn)生電能。如果將這種通過滲透作用供能的系統(tǒng)與反滲透海水淡化系統(tǒng)結(jié)合，就能在稀釋鹵水的同時(shí)產(chǎn)生一定能量，用于海水淡化或其他用途。

目前，這種混合系統(tǒng)的發(fā)展還不成熟。2009年，第一家采用這種系統(tǒng)的海水淡化廠在挪威開業(yè)。它的設(shè)施建造和運(yùn)營(yíng)成本很高，但其產(chǎn)生的能量卻不如人意。5年后，該廠就關(guān)閉了?，F(xiàn)在，新加坡國(guó)立大學(xué)的科學(xué)家也在研究這種混合系統(tǒng)，并聲稱已經(jīng)將這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)具有經(jīng)濟(jì)可行意義的程度。研究人員建立了一個(gè)與此前挪威海水淡化工廠類似的裝置，并改進(jìn)了其中所用的滲透膜。經(jīng)過500個(gè)小時(shí)的測(cè)試，這套裝置運(yùn)行穩(wěn)定，能量消耗僅為常規(guī)反滲透淡化裝置耗能的四分之一。新加坡的一個(gè)研究孵化機(jī)構(gòu)采用了這一設(shè)計(jì)，并計(jì)劃建造一個(gè)試點(diǎn)工廠。新加坡自然資源匱乏，能源和水資源都很寶貴。因此，這種混合淡化系統(tǒng)意義重大。

反滲透淡化裝置和王滲透發(fā)電裝置聯(lián)合系統(tǒng)。

終極淡化技術(shù)

如果采用一系列方法提取鹵水中的水分，最終實(shí)現(xiàn)海水中水和鹽的完全分離，這就是“零液體排放（ZLD）”淡化技術(shù)。這種技術(shù)一舉三得：最大限度提取淡水、不產(chǎn)生鹵水、產(chǎn)生的鹽可作為化工原料。

鹵水中含有多種礦物質(zhì)，化學(xué)家們?cè)缫烟剿髁藦暮Ｋ螓u水中提煉各種礦物質(zhì)的方法。但是很少有人想過開采鹵水中的“礦藏”，主要是因?yàn)辂u水成分復(fù)雜，難以分離，很多成分濃度又很低，提取和純化的成本過高。然而在某些情況下，將海水淡化與從鹵水中提煉化學(xué)品相結(jié)合，能夠產(chǎn)生積極的經(jīng)濟(jì)效益。

大多數(shù)海水淡化工廠都建在海邊，但美國(guó)是個(gè)例外。美國(guó)很多地區(qū)的地下水都是礦物質(zhì)含量過高的咸水（俗稱“苦水”），不能飲用。因此美國(guó)95%的海水（咸水）淡化工廠都建在內(nèi)陸地區(qū)。這些工廠的鹵水排放問題更讓人頭疼。大多數(shù)工廠把鹵水直接排入河中;一些工廠把鹵水引入蒸發(fā)池;在得克薩斯州等地質(zhì)條件適宜的地方，鹵水被注入深井中。但以上所有方法能處理的鹵水量都是有限的。因此，亞利桑那州試圖修建一條經(jīng)墨西哥直通大海的水渠，用于排放鹵水。但這項(xiàng)計(jì)劃至今沒有得到墨西哥政府許可。

鹵水“冶煉”裝置能完全分離鹵水中的水和鹽，實(shí)現(xiàn)零液體排放。

美國(guó)最大的內(nèi)陸咸水淡化工廠位于得克薩斯州的埃爾帕索，它每天為270萬人提供超過1億升淡水，并將廢棄的鹵水注入距工廠25千米的一處深井。但這樣做的成本很高，而且這口深井可能在不久的將來被填滿。這樣的條件使ZLD技術(shù)有了用武之地。

2018年4月，該工廠與當(dāng)?shù)匾患宜幚砥髽I(yè)合作，借鑒了石油煉制的一些技術(shù)，建造出一套從水中提取目標(biāo)成分的裝置。該公司首席執(zhí)行官稱其為“水冶煉廠”。就像原油可以被分離成多種有價(jià)值的產(chǎn)品一樣，該設(shè)施將咸水分成五股，最終提取出其中幾乎全部淡水，并得到一些有價(jià)值的化學(xué)品，如氯化鈉、鹽酸、氫氧化鈉、石膏和氫氧化鎂等。這套設(shè)施幾乎沒有使用任何新技術(shù)，只是現(xiàn)有技術(shù)的新組合。該設(shè)施很快將進(jìn)入全面運(yùn)轉(zhuǎn)，每天能夠從淡化工廠的鹵水中回收750萬升飲用水。這種做法是否能產(chǎn)生足夠的經(jīng)濟(jì)價(jià)值還是個(gè)未知數(shù)。

一些科學(xué)家也在思考如何用類似技術(shù)對(duì)一些更極端環(huán)境中的水進(jìn)行“冶煉”，他們把目光投向的了石油井廢水。石油開采過程中抽出的地下水量大約是石油的5倍，目前常用的處理方法是將這些水泵回地下。

但這些廢水中可能蘊(yùn)含“寶藏”。例如，得克薩斯州的石油井廢水中含有約1‰的鋰，而鋰是制造電池的重要原料。目前已有礦產(chǎn)公司利用這種廢水來開采鋰鹽。最近，得克薩斯大學(xué)與澳大利亞莫納什大學(xué)的科學(xué)家合作研發(fā)了一種新型薄膜，它可以選擇性地從水中分離鋰元素，能有效降低鋰鹽開采的能耗，減少化學(xué)污染。這種薄膜也有望用于ZLD淡化技術(shù)。如果能用類似的薄膜分離鹵水中多種不同元素，那么鹵水的“冶煉”成本和能耗就能大幅降低。但要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，對(duì)研究人員將是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

隨著全球水資源短缺進(jìn)一步加重，海水淡化設(shè)施正變得越來越普遍。要解決隨之而來的鹵水處理等問題，必須采用多樣化的技術(shù)，并針對(duì)地域特點(diǎn)選擇當(dāng)?shù)乜尚械姆桨浮LD技術(shù)不會(huì)在任何地方都能實(shí)現(xiàn)。但有科學(xué)家說，一些更尖端技術(shù)之所以沒有得到廣泛應(yīng)用，并不是因?yàn)樗鼈儾黄鹱饔?，而是因?yàn)槲覀兊奶幘尺€不夠絕望。然而，開普敦的例子告訴我們，那樣的情形并不遙遠(yuǎn)。

反滲透法淡化海水

海水淡化也稱海水脫鹽，是指將海水中的多余鹽分和礦物質(zhì)去除，得到適宜飲用和灌溉的淡水的工序。遠(yuǎn)洋船只或潛艇一般都配有海水淡化裝置。很多極度干旱的地區(qū)都將淡化海水作為重要的淡水來源。海水淡化的方法有很多，包括蒸餾（多級(jí)閃蒸、真空蒸餾、蒸汽壓縮等）、凍融、反滲透等。目前，反滲透法是海水淡化的主流方法。

什么是反滲透？這要先從滲透作用說起。1748年，法國(guó)科學(xué)家諾萊特把裝入酒精的動(dòng)物膀胱浸泡在水中，發(fā)現(xiàn)水可以進(jìn)入膀胱中，但酒精卻不能透過膀胱進(jìn)入水里。膀胱有選擇透過性，能使水分子自由透過，而酒精和鹽等溶質(zhì)則不能透過。具有這種特性的膜被稱為半透膜。水分子經(jīng)半透膜擴(kuò)散的現(xiàn)象被稱為“滲透”。

如果用半透膜將高濃度鹽溶液和低濃度鹽溶液中間隔開，低濃度溶液中的水分子會(huì)自動(dòng)向高濃度溶液中移動(dòng)，使薄膜兩側(cè)的液體濃度趨于平衡，這就是滲透作用。而反滲透是與之相反的過程：在高濃度鹽溶液一側(cè)施加足夠壓力，高濃度溶液中的水就能滲入低濃度溶液。通過這種反滲透機(jī)制，就能從海水中“擠出”淡水。

近年來，隨著反滲透膜工藝的迅速發(fā)展，反滲透技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣。除了海水淡化外，反滲透技術(shù)也被用于污水處理、醫(yī)療用水凈化、食品加工（如濃縮果汁）等方面。