佛罗里达州墨西哥湾沿岸一家前冰淇淋厂里，有什么奇怪的事情正在酝酿。在那里，一个小型海洋实验室里，立着一个 6 英尺高、8 英寸直径的透明管子，里面装满了坦帕湾河口普通的や海海水。唯一的声响是高压水泵的嗡嗡声。乙烷，一种碳氢化合物气体，从管子底部被注入。几分钟之内，微小的晶体碎片就漂浮到了表面。 untrained eye 看来，它们就像气泡，但在附近的视频监视器上放大的图像显示出一种类似冰的质地。“起初我们以为是灰尘之类的，”化学工程师 Sarah Holman 说。“现在我们知道这是水合物，而且几乎是立即形成的。” 逐渐地，开始形成更大的团块。一层霜状物质聚集在水箱顶部，就像巨型玛格丽特酒杯边缘的盐。随着越来越多的物质积累，它开始看起来像一种意大利冰淇淋慢慢地填满了水箱的顶部。
这是可能引发海水淡化革命的第一步。当水合物形成时，即使在海洋中，盐也会被排除在晶体结构之外。融化水合物，它就会分离成蒸馏水和气体。建造一个足够大的结构——比如，在海岸上或海洋本身建造一个长达千英尺或更长的管道——你就可以为日益干旱的地球提供淡水，这真的可以改变世界。这正是 Marine Desalination Systems 公司的创始人 Michael Max 所追求的目标。
Max 是世界顶尖的水合物专家之一，而且他对此毫不避讳。在你打个基本的招呼，更不用说拿出笔来，他已经在发表声明了：“每天高达 5 亿加仑的淡水，这就是目标……。我们是唯一一个从海水中提取水合物的团队……。我们正在开发一种将成为地球主要淡水来源的新方法。” 62 岁的 Max，身高 5 英尺 8 英寸，身材结实得像个橄榄球运动员，浓密的眉毛，浓密的胡子，毫无保留，像推土机一样。他交叉着双臂，语速飞快地描述着海底千英尺深的管道，在那里，结晶、重力和压力梯度的熟悉物理学将分离盐分并产生蒸馏水。
关键成分是气态水合物，当碳氢化合物气体（如甲烷和乙烷）在适当的温度和压力下与水接触时形成的物质。气体分子被困在水分子构成的晶格结构中，形成一种称为包合物的晶体物质，它在表面上类似于冰——只是这种东西是易燃的。（关于天然水合物的更多信息，请参阅《Discover》2004 年 3 月刊的“甲烷气泡会破裂吗？”。）
在 20 世纪 70 年代之前，水合物仅仅被视为一种麻烦，因为它们会堵塞油气管道。然而，在过去的几十年里，对水合物的兴趣激增，尤其是在日本等石油贫乏的国家。全球海洋和永久冻土地区蕴藏着大量的气态水合物，这让许多科学家想知道是否能找到一种经济可行的解开甲烷的方法，从而创造一个可持续几个世纪的天然气供应。然而，对 Max 来说，吸引他的不是水合物的气体成分，而是周围的水分子（H20）。
Max 对水合物的好奇心始于 20 世纪 80 年代，当时他曾在海军研究实验室担任海洋地球物理学家。海军想知道海底的水合物是否会干扰军方用来追踪苏联潜艇的水下水听器阵列接收到的声学信号。随着这种神秘物质的特性、数量和潜在影响逐渐显现，Max 被迷住了。
20 世纪 90 年代中期，水合物研究的“大祭司”Peter Brewer 在美国地质调查局的 Keith Kvenvolden 的协助下，在加州海岸使用遥控潜水器，观察是否将压缩气体注入深度处的小管海水会导致水合物自发形成。结果是，几乎是瞬间就形成了。在蒙特雷湾水族馆研究所工作的 Brewer 将实验视频带到了华盛顿特区的海军研究实验室。“当我们播放视频时，人们的反应是：‘哇。我们从来不知道你们能做到这一点，’” Brewer 回忆道。
“那确实是水合物研究的一个重要时刻，” Max 说。“当我看着那段视频，看到水合物漂浮在那些水下管道的顶部时，我想，‘如果我们有一根管道从水合物形成的地方一直延伸到（海洋）表面呢？’” Max 知道会发生什么——或者应该发生什么——他的海水淡化想法也因此诞生了。
与传统上昂贵且困难的从海水中去除盐和其他杂质的方法不同，Max 希望自然地完成。水合物晶体完全由气体和水分子组成，因此不含盐。然而，如果没有
某种东西将晶体固定住，天然气水合物会因为比周围的海水密度小而从深海浮上来。（然而，用二氧化碳形成的水合物会下沉，因为它们比大多数海水密度大。）当水合物上升到表面时，海水压力会减小，迫使晶体融化。这会将气体从冰笼中释放出来，而这个笼子是由淡水构成的。由于这些新释放的水比海水和水合物-海水混合物的密度都小，它也会随之上升。
从那个首次灵感迸发的视频时刻，经过几年的想法完善、专利批准，以及 1999 年 Marine Desalination Systems 的成立，到 2001 年获得联邦资助，Max 已经来到了佛罗里达州的圣彼得堡，在一个翻新过的 1927 年装饰艺术风格的建筑里拥有一个实验室，那里曾经是 Sealtest 生产樱桃香草冰淇淋的地方。
Max 的淡水反应器概念是一个位于海洋或海岸线上的巨大柱体，长度可能在 1000 到 1500 英尺之间，底部泵入加压气体以促进水合物生长，形成一种看起来像动态的四层鸡尾酒：底部是海水和水合物，中部是上升并融化的水合物，上部是纯净水，顶部是气体。市场上的淡水将被泵出，气体将被回收。“这就像一台永动机，”Kvenvolden 说。“它太有远见了。我真不知道我怎么没想到！”
该系统的简洁性赋予它一种禅意，让 Max 有点得意忘形。“工程师几乎认不出任何东西，”他说。“我们不过滤，也不加压任何东西。” 加州蒙特利湾水族馆研究所的水合物专家 Ed Peltzer 表示，基本原理是可靠的。“这是对一些相当晦涩的化学原理的优雅应用。”
如果它能起作用的话。使用水合物的概念每隔几年就会被提起，仿佛是一个新想法，Technion-以色列理工学院 Rabin 淡化实验室的 Raphael Semiat 说。“但它*不是*新的。”二十多年来，研究人员一直看到了这种方法潜在的节能效果。但是，使用水合物进行海水淡化的努力都因为同一个原因而失败了。它们产生了围绕着气体气泡的薄薄的水合物壳。当这种情况发生时，太多的海水会粘附在晶体团块上，形成一种泥浆状的混乱。因为必须冲洗晶体以清除残留的盐分，所以很难从泥浆中分离出大量淡水。
“液体会粘附在晶体系统中，”美国垦务局的水处理专家 Kevin Price 说。“他（Max）能保证他的系统不一样吗？如果不能，他就需要清洗晶体。” 水技术顾问、国际海水淡化协会前主席 Jim Birkett 最近清除了办公室里所有与水合物相关的文献，并最终决定这个概念没有未来。
“每个人都失败了，因为他们形成了泥浆，”Max 承认。“但我们完全避开了这个问题。” 关键之处在于长长的管道。Max 说，由于自然机制驱动海水淡化过程，因此无需机械地从海水中去除晶体或水合物块。而且，由于管道内的自然梯度，只有最纯净的水会漂浮到顶部，而任何夹在向上漂浮的水合物团块中的盐分，将不符合资格，或者说，不会进入最上层的淡水批次。
但 Max 同意，仅靠管道并不能保证无泥浆过程。他需要大块的水合物才能做到这一点。他说他快成功了，使用的是一种他不愿意透露的技术。他愿意分享的是他培养大块水合物策略的一部分：增加气体的浓度以饱和海水。他在实验室中使用乙烷作为替代品，但实际生产中很可能会主要使用甲烷，加上少量乙烷。Max 不打算像其他方法那样仅仅将气体鼓入系统（这会导致形成糖果壳状晶体并迅速陷入泥浆困境），而是计划小心地将气体溶解到海水中。
“我们已经证明，泵入气体的海水可以产生大量的水合物，”Sarah Holman说，她温和的性格与 Max 大胆的个性形成了鲜明对比。“其他实验室使用淡水或蒸馏水，需要数天才能形成少量水合物。”
但完美控制的生长是另一回事。“我们想要的是精益、饥渴的生长，”Max 说。换句话说，他需要的是向上涌动的水柱中的水合物块，而不是雪花。没有强劲的晶体生长，产生的水合物将没有足够的质量来输送大量的水。
即使 Max 能从他的反应器顶部获得可饮用水，这种系统最终会具有商业可行性吗？在某种程度上，海水淡化很容易。“拿一些海水，挤压它，通过它泵入气体，加热它，等等，在某种程度上，你就可以去除大部分盐，”海水淡化顾问 Birkett 说。但要从这一点达到具有竞争力的技术，是一个指数级增长的挑战。
两种经过验证的海水淡化方法——加热水然后蒸馏，或使用渗透过滤器——已经达到了经济上可行的成熟水平，但前提是从传统水源获取淡水要么不可能，要么过于昂贵。例如，昂贵的蒸馏厂主要集中在中东产油国。
世界上 15,000 家海水淡化厂大多数采用一种称为反渗透的技术。强大的泵将海水压向膜，膜允许纯水通过，并过滤掉杂质。自 1980 年以来，反渗透的生产能力翻了一番，这在很大程度上归功于膜效率和寿命的提高。成本也随之下降。
但建造和维护反渗透设施仍然困难且昂贵。美国最大的海水淡化厂位于坦帕湾，距离 Max 的实验室不到 20 英里，但已经停运数月。用于预处理海水的膜——必须先去除较大的颗粒物，然后才能将海水冲刷到高科技的脱盐膜上——被微小的亚洲绿贻贝群堵塞了。此外，还有盐水处理问题，或行业内委婉地称为“浓缩物管理”。海水淡化厂会产生大量的废弃盐。
但现有海水淡化厂最大的限制是更换膜的成本以及运行机械所需的能源费用。这为 Max 的创新保留了一线机会。他拒绝透露太多细节，但当被问及他的工艺是否能以每 1000 加仑 10 至 12 千瓦时的能量产生 1000 加仑水——任何新技术的基准——他点头并让难得的沉默持续了一会儿。“让我们这样说吧，我们的成本将与当前的水价具有竞争力，”他说。几个月后，他说计算机模型显示他的成本低于每 1000 加仑 10 千瓦时。
Max 的系统提供了一些难以用金钱衡量的特定优势，例如一个不需要停工数月来清洁过滤器或维修腐蚀设备即可运行的工厂。Max 的发明还避免了盐水处理问题，因为它每次只从反应器中的海水体积中去除少量淡水，约占 5%。因此，流出物应始终保持在海洋盐度自然变化的范围内。
Max 的研究恰逢其时。反渗透可能正达到其效率的极限，而蒸馏厂仍然昂贵。与此同时，净化污染的河流、湖泊、溪流和井水的努力无法满足全球日益增长的水需求，而水资源短缺已经造成了令人担忧的人类和生态苦难。联合国估计，有超过 10 亿人缺乏充足的淡水。
是否可能不存在最佳的水合物块？反应器是否注定会产生大量的微小晶体，而永远不会产生 Max 梦中的大块水合物？“我们知道最佳的水合物块存在，因为我们在大自然中看到了它，”Holman 说。
渔民曾在渔网中捕到过篮球大小的水合物块，其他研究人员也曾从海底舀起过。尽管如此，Max 可能无法持续快速地培养足够大的水合物块，以足够好的价格提供淡水。
“如果我说我们离成功只有几英寸，那就等于说我遇到了一个无法逾越的障碍，”Max 说。换句话说，实现最佳的晶体生长可能只需要多一点微调，或者可能根本不可能。这是一个诚实、忠实于科学的承认，但正如 Kvenvolden 所说，“Max 已经把他的全部家当都押在这个想法上了。你不得不佩服这种远见。而且我认为它会成功。”
