海水淡化技術(shù)的不斷發(fā)展，希望我們能早日實(shí)現(xiàn)“用水自由”！

地球——我們圓滾滾、水汪汪的蔚藍(lán)色家園，是因其71%表面積由海洋所覆蓋，使地球形成了如今的樣貌。同時，海水的儲量約為1.3×109億噸，約占地球所有水資源總量的97.4%。瞧瞧這些數(shù)字，明明有那么多水量，為什么依然存在用水困難的現(xiàn)象呢？

圖1 水資源示意圖 （圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

事實(shí)上，海水中具有極高的鹽含量，如果長期飲用，不僅越喝越渴，還可能導(dǎo)致脫水死亡。因此嚴(yán)格來說，人類與非海洋生物只能共同享有地球總水量僅2.6%的淡水資源。并且在這僅存無幾的淡水資源中，絕大多數(shù)還是難以利用的冰川水。然而相對易于開發(fā)利用的河流水、湖泊淡水和淺層地下水等又經(jīng)常受到水污染的影響。因此，真正可供我們?nèi)粘Ｉ钍褂玫乃Y源十分稀少。

那么面對龐大的海水資源，除了“望洋興嘆”，我們還可以做點(diǎn)什么呢？答案就是將海水中的鹽分趕走，海水就可以像淡水一樣為我們所用。

在這方面，我們可得向海生動物取經(jīng)。人無法直接依靠鹽水生存，而它們是如何在海水中遨游生活的呢？這是因?yàn)楹｝?、海水魚等海生動物能利用自己身體上的細(xì)胞半滲透黏膜來脫鹽淡化海水，它們身體的口腔膜、內(nèi)腔膜和表皮膜等細(xì)胞膜都是“海水淡化器”。它們喝進(jìn)海水后，首先在口腔內(nèi)通過吸氣不斷增壓，壓力差使一部分水滲過黏膜進(jìn)入機(jī)體內(nèi)。而大部分鹽則被阻隔在口腔內(nèi)，可隨水流經(jīng)鰓裂或排泄道排到體外。

圖2 海水魚的水鹽平衡 （圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

受到此機(jī)制的啟發(fā)，科學(xué)家們研制出反滲透海水脫鹽淡化裝置。其中一個關(guān)鍵的材料便是對物質(zhì)通過具有選擇性功能的半透膜。海水淡化所應(yīng)用的半透膜允許水分子通過，但不允許離子（例如Na+，Mg2+，Cl-等）或較大分子（例如葡萄糖，尿素等）通過。這樣在海水淡化的同時，也起到了水質(zhì)凈化的作用。

當(dāng)位于半透膜兩側(cè)的水溶液濃度不同時，在濃度梯度的作用下，低濃度溶液中的水會自發(fā)地通過半透膜滲透到高濃度溶液一側(cè)，這便是滲透過程。此時，兩側(cè)液面開始產(chǎn)生高度差，液面高度差產(chǎn)生的壓力會阻礙滲透過程的進(jìn)行。當(dāng)高濃度溶液一側(cè)的液面不再升高，兩側(cè)溶液達(dá)到滲透平衡，此時高度差產(chǎn)生的額外壓力便是滲透壓。

如果對海水施加大于滲透壓的外加壓力，此時海水中水分會反向通過滲透膜，而鹽分則被半透膜阻隔無法通過。通過這個反滲透過程，半透膜的另一側(cè)便能收集到淡化的海水。半透膜對鹽的截留率可達(dá)到98%以上，我國的第一座反滲透海水淡化工程是1985年1月16日在西沙群島永興島建成的，產(chǎn)淡化水可以達(dá)到兩百噸。

圖3 滲透與反滲透原理 （圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

但是，如果你不幸漂流到大海中的無人島上，科學(xué)家的裝置似乎對你來說有點(diǎn)不切實(shí)際，此時若想喝到淡水也并非沒有辦法。早在四百多年前，歐洲的航海家就利用火爐煮沸海水，上行的水蒸氣遇溫度較低的蓋子后，冷凝成水滴收集飲用，這就是簡易的蒸餾法。

圖4 簡易蒸餾法裝置 （圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

要是更加不走運(yùn)，你在戶外既沒有火源也沒有鍋，難道就只能下輩子見了嗎？別氣餒！材料學(xué)家們的最新研究成果將使孤身無助的漂流者絕處逢生！

受到秸稈根莖的輸水功能和蒸騰作用啟發(fā)，科學(xué)家們設(shè)計出基于全生物質(zhì)的太陽能蒸汽發(fā)生裝置：稻草的下部莖桿用作水泵，從海島的土壤或者海水中吸取水分向上端輸送；利用碳化的稻草和細(xì)菌纖維素的復(fù)合物制備了具有高機(jī)械強(qiáng)度的親水性光熱膜，可在太陽光作用下蒸餾得到運(yùn)送上來的水分。水稻是三大糧食作物之一，與其他谷類作物（小麥510、玉米370、高粱320）相比，具有更高的蒸騰系數(shù)（～680），說明水稻具有優(yōu)越的莖稈輸水能力。水稻莖稈的螺旋狀宏觀結(jié)構(gòu)和層次結(jié)構(gòu)/納米結(jié)構(gòu)使其具有突出的抽水能力。全生物質(zhì)太陽能蒸汽發(fā)生裝置在1kW·m-2的光照下，產(chǎn)生凈水效率可達(dá)到1.2kg·m-2h-1。特別是，水稻太陽能不受多種含水介質(zhì)（如沙子、土壤和海水）的影響，以穩(wěn)定的蒸發(fā)性能收集干凈的水。經(jīng)計算，裝置在晴天的日凈水量為6.4–7.9 kg·m-2，陰天為4.6–5.6 kg·m-2。這樣的設(shè)計將“農(nóng)耕廢料”轉(zhuǎn)化為 “生命養(yǎng)料”，充分體現(xiàn)環(huán)境友好和資源再利用的優(yōu)勢。僅僅使用天然裝置就可助你獲得淡水，不需要其他形式的能量，也不帶來二次污染。如此一來，你就可以一邊曬著太陽，一邊淡定地喝著新鮮蒸餾的淡水了！孤島度假將不再是夢！

圖5 基于全生物質(zhì)的太陽能蒸汽發(fā)生裝置

隨著海水淡化技術(shù)的不斷發(fā)展，我們不再只能“望洋興嘆”，希望我們能早日實(shí)現(xiàn)“用水自由”。

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來源：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所