Desalination
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地球表面的70%被水覆盖，但绝大多数水无法用于饮用或农业。这个问题已经存在数千年了，数千年来，人类都知道可以将海水变成饮用水，只是这样做很困难。但在过去的几十年里，从海水中获取清洁饮用水变得更容易了，而且可能还会变得更容易。

在本期《无处不在的日常》节目中，我们将深入了解海水淡化技术，它的工作原理以及它的发展历程。本期节目由Quince赞助播出。盛夏时节，正是拿出夏装的时候了。如果您想在这个夏天更新您的衣橱，我建议您看看Quince。

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为什么我们不启动一些海水淡化厂，从海里弄些淡水呢？问题解决了。理论上，这并没有错。然而，正如我经常在这个节目中说到的那样，事情远不止于此。从海水中去除盐分在概念上并不困难。然而，大规模地做到这一点却非常困难。海水淡化的历史实际上可以追溯到几千年前。

故事始于我们最早的祖先，他们可能观察到，当海水在潮汐池中蒸发时，会留下盐晶体。这种自然现象播下了思想的种子。如果我们能捕捉到作为蒸汽逸出的纯净水呢？古希腊人是第一个真正思考这一观察结果的人。大约在公元前4世纪，亚里士多德写到了蒸馏，描述了如何加热海水以产生蒸汽，当蒸汽冷却时，会凝结成淡水。

古代水手发现他们可以在锅里煮海水，并在布或金属表面收集蒸汽。当蒸汽凝结时，他们就有了饮用水。这是劳动密集型、燃料密集型的，而且产水量不多，但在漫长的航程中，它可能意味着生与死的区别。在中世纪时期，伊斯兰学者和炼金术士大大改进了蒸馏技术。他们主要关注的不是海水淡化，但他们在完善蒸馏设备方面的工作为以后奠定了重要的基础。

这些创新后来被证明对扩大海水处理规模至关重要。随着15和16世纪欧洲探险的扩大，海上可靠淡水的需求变得至关重要。船只开始携带原始的太阳能蒸馏器，这基本上是玻璃覆盖的盒子，海水会在阳光下蒸发，并在较冷的玻璃表面凝结。同样，这每天只能产生几杯水，但总比没有好。

第一个已知的海水淡化陆地工厂是1560年由驻扎在突尼斯的西班牙军队建立的，当时他们正被奥斯曼帝国围困。在驻扎在干旱海岸附近时面临饮用水严重短缺的问题，西班牙工程师在岸上建造了一个简陋但有效的海水淡化装置。该工厂用明火煮沸海水和金属容器，并收集蒸汽和简易冷凝盘管以收集淡水。

在17世纪，罗伯特·博伊尔和其他早期化学家开始更正式地进行蒸馏实验，提高了对相变和冷凝的理论理解。然而，海水淡化的实用性受到能源需求和设备复杂性的限制。19世纪标志着一个巨大的转折点。蒸汽机不仅正在彻底改变交通运输和制造业，而且还在理论上使大规模海水淡化成为可能。

船舶现在可以专门将蒸汽动力用于蒸馏，生产出比以往任何时候都更多的淡水。第一座工业化陆地海水淡化厂建于1869年，位于今天的也门亚丁，由英国人建造，他们需要为前往印度的船只提供淡水。该工厂采用蒸汽蒸馏，每天可以生产约5000加仑水，对于当时来说是一项重大成就，但按今天的标准来说却微不足道。

两次世界大战都加速了海水淡化研究。潜艇需要紧凑高效的系统，以便在长时间的水下航行中生产饮用水。军方愿意大力投资研究，加上问题的生死攸关性，使这项技术迅速发展。

在此期间，工程师们开始尝试蒸馏以外的不同方法。他们开发了多级闪蒸蒸馏法，其中水在压力下加热，然后释放到压力较低的腔室中，使其闪蒸成蒸汽。这比单一沸腾更有效，因为它可以多次重复使用热能。

在20世纪50年代和60年代，多级闪蒸蒸馏成为主要的脱盐方法，尤其是在沙特阿拉伯、科威特和阿拉伯联合酋长国等石油丰富但缺水的国家。这些国家可以获得廉价的化石燃料，并且可以在沿海地区建造大型工厂。我到目前为止描述的所有内容，从古代到大约20世纪中期，都使用了所谓的热脱盐的各种方法。

无论是简单的冷凝、蒸馏还是闪蒸蒸馏，所有这些都涉及使用热量将水与盐分离。热脱盐是您可以在厨房炉子上进行的事情，尽管它并不一定那么有效。大约在20世纪60年代，第二种类型的脱盐变得实用。通常，此类别称为膜脱盐。

科学家们发现某些材料可以作为选择性屏障，允许水分子通过，同时阻止盐离子。这导致了反渗透技术的开发，这是一个与蒸馏根本不同的过程。1965年，加利福尼亚大学洛杉矶分校的Sydney Loeb和Srinivasa Shurirajan开发了第一批反渗透膜。这些膜使用能够在压力下将水与溶解盐分离的半透膜材料。

这是一种与蒸馏截然不同且更节能的方法。要描述反渗透的工作原理，我必须解释一些事情。首先，半透膜具有通常约为0.0001微米宽的微小孔，允许水分子通过，但阻止溶解的盐、细菌和更大的分子。其次，要了解反渗透的工作原理，您需要了解渗透的工作原理。

假设您有一个容器，用半透膜将其分成两部分。在一侧放置海水，在另一侧放置淡水。会发生什么？通过渗透作用，淡水侧的水将迁移到盐水侧。这是因为两侧的盐度水平不平衡，水将移动到咸的一侧以稀释它，使两侧达到平衡。水必须移动，因为盐不能移动。

然而，如果您想用海水制成淡水，渗透作用与您想要的结果恰恰相反。这就是反渗透的用武之地。在反渗透中，您会在咸的一侧施加压力，以将水推过半透膜，将其与海水中的盐分离。这不仅仅是将水倒在膜上过滤掉盐分，就像您使用粗棉布过滤掉颗粒物一样。要使水通过半透膜，您需要压力。

很大的压力。产生这么大的压力需要大量的能量。它比热脱盐的能量要少得多，但仍然需要能量。从20世纪80年代开始，膜技术的快速改进，特别是聚酰胺复合膜，大大提高了反渗透的效率和可行性。这些膜可以在较低的压力下运行，耐污垢，并能从输入海水中回收更多的淡水。

到21世纪初，反渗透成为全球主要的蒸馏方法。大型反渗透工厂已建成于西班牙、以色列、澳大利亚、新加坡、智利和美国，最著名的是加利福尼亚州和德克萨斯州。以色列尤其成为全球领导者，到2010年代，利用反渗透技术供应其国内淡水的60%以上。如今，反渗透过滤器像纸巾卷一样构造。

不是纸巾，而是层层膜。高压海水位于各层的外部，核心是所有淡水流动的管道。现代反渗透系统使用的平均压力约为55-70巴或800-1000磅/平方英寸。如今，全世界约有21000座海水蒸馏设施，遍布约150-170个国家。

这些工厂每天生产约1亿立方米的淡水，相当于约260亿加仑或近1000亿升水。这是很多水，但这只是人类每天用水总量的很小一部分。那么，要增加地球上生产的脱盐水量，需要什么？嗯，最重要的事情是投入更多的能量。

人们一直在讨论建造核反应堆，特别是专门用于海水淡化的核反应堆。同样，人们一直在讨论在沙漠和赤道地区建造太阳能电池板阵列，这些阵列将用于运行海水淡化设施。人们还提出了被动式热力系统，这将是沙漠中巨大的玻璃圆顶，海水可以在其中蒸发，在玻璃上凝结，然后收集。基本上，只要使用现有技术，我们投入的能量越多，就能获得越多的脱盐水。

然而，还有一些有前景的新方法。一种解决方案是制造更好的膜。基于石墨烯的膜代表了海水淡化技术的前沿发展，具有更快、更高效的水净化潜力。

这些膜通常由氧化石墨烯或单层穿孔石墨烯片制成，这些石墨烯片经过工程设计，具有精确尺寸的纳米孔，允许水分子通过，同时阻止盐和其他污染物。因为石墨烯只有一个原子厚，所以水流过它的速度比传统反渗透中使用的聚合物膜快几个数量级。

这种超薄结构可以大幅减少加压水的能量需求，这是海水淡化的主要成本因素。此外，石墨烯膜具有很高的抗污垢和耐化学降解性，从而提高了其耐用性并减少了维护。另一个建议，我认为这相当出色，是利用海底的自然高压。

如果您将反渗透过滤器放置在足够深的海底，则可以达到与反渗透系统所需的压力相同的压力。您知道海底还有什么吗？海水。当然，需要有压力差才能使淡水流动。但是您可以通过创建吸力来创建压力差。

产生吸力以吸出高压水所需的能量远小于在陆地上产生高压水所需的能量。可以肯定的是，这将减少所需的能量，但它也会产生自身的问题，包括对位于海底的过滤器进行维护。还有一些其他潜在的技术可以使用，包括纳米过滤器和正渗透。在21世纪，从海水中制造淡水的能力是一项至关重要的技术。

根据您居住的地方，您可能永远不会遇到这种情况。然而，每天有数百万人依靠它来获得饮用水、洗澡水和洗衣水。如果没有它，船舶和潜艇将难以在海上长时间停留。如果趋势继续下去，人类从海洋中获得的可用水量在未来几年只会增加。

《无处不在的日常》节目的执行制片人是查尔斯·丹尼尔。副制片人是奥斯汀·奥克顿和卡梅伦·基弗。我要感谢所有在Patreon上支持节目的朋友们。你们的支持使这个播客成为可能。我还想感谢所有活跃在Facebook小组和Discord服务器上的《无处不在的日常》社区成员。如果您想加入讨论，节目说明中提供了两个链接。和往常一样，如果您留下评论或给我发送boostagram，您也可以在节目中听到它。