海水淡化为何如此困难——以及为什么我们可能仍然需要它

在圣迭戈和迪拜等地，淡水资源稀缺，人类求助于机器，通过这些机器从海水中提取盐分，将其转化为干净的饮用水。

这个过程被称为海水淡化，自 20 世纪中叶以来，一直将海水和微咸地下水转化为可饮用水。随着气候变化导致气温上升和降雨模式不稳定，对淡水供应构成威胁，这项技术在不久的将来可能会变得越来越重要。人口不断增长且气候干旱的城市面临着水资源枯竭的危险，正如2018 年初开普敦几乎发生的那样。但海水淡化也是昂贵且能源密集型的。许多研究人员正在努力改进这项技术，使其能够惠及更多人，并以不加剧的方式应对气候变化。

尽管存在挑战，但预计未来几十年全球海水淡化行业将持续增长。“它应该增长，因为淡化水是完全独立于气候的，并且能产生非常可靠的优质水量，用于不同领域，”联合国大学环境科学家 Manzoor Qadir 说。

Qadir 说，如今，有超过 15,000 家海水淡化厂，每天生产约 9500 万立方米的淡化水。其中约一半的水在中东和北非地区生产，这些地区海岸线充足，淡水资源极少，并且容易获得廉价的化石燃料能源。

净化

海水淡化技术最初的简单原理是煮沸水。1945 年在英国建造的第一家海水淡化厂通过加热水使其蒸发成蒸汽，留下盐分，然后冷却凝结成淡水。这种加热蒸发的方法在早期的海水淡化中占主导地位，并且在中东地区的老式工厂中仍然普遍使用。但热法海水淡化非常耗能，因此可能很昂贵，具体取决于能源供应的成本。

20 世纪 60 年代，一项名为反渗透（RO）的新技术开始席卷海水淡化领域。反渗透的工作原理是将海水以极高的压力通过一系列精细的聚合物膜，这些膜允许水分子通过，但会截留较大的盐和矿物质。奥地利格拉茨国际应用系统分析研究所的研究员 Beatriz Mayor 表示，在科威特建成第一座反渗透工厂后，这项技术迅速传播，目前已占据全球市场约 70% 的份额。

Mayor 表示，尽管反渗透技术在过去几十年中占据主导地位——并且很可能在未来几十年继续如此——但研究人员一直在努力使其技术更便宜、更高效、更少浪费。平均而言，淡化水的成本比传统水源高出两到三倍。海水淡化厂最大的开销之一是维持其运行所需的能源。

麻省理工学院研究水净化和海水淡化 30 年的机械工程师 John Lienhard 表示，但在能源方面，这些技术能达到的效率存在物理极限。他解释说，分离盐和水总是需要一定的能量。而且，得益于改进的膜和能量回收装置，许多反渗透工厂已经接近了这个极限。

但这并没有阻止 Lienhard 等研究人员尝试找出如何进一步降低这些能源成本。例如，Lienhard 的团队在间歇性海水淡化（而不是连续运行工厂）以节省能源方面进行了大量研究。一些研究人员正在探索完全独特的方法，例如使用液体溶剂以最少的能源分离水和盐。

水力发电

其他科学家转向可再生能源，以减少海水淡化的温室气体足迹，并可能降低成本。小型原型工厂已经开始使用光伏发电，而迪拜目前正在开展一个项目，目标是到 2030 年实现其所有海水淡化都使用太阳能供电。其他科学家正在尝试使用太阳能和传统的蒸汽热法海水淡化过程，利用太阳能来加热和蒸发水。然而，这些方法都还没有准备好大规模实施。

不断增长的海水淡化行业还将不得不处理不断增长的高浓度废水。Qadir 估计，全球海水淡化工作目前每天产生 1.42 亿立方米的卤水，比每天生产的淡水量多约 50%。

大多数卤水目前被排入大海，如果处理不当，可能会威胁到接触到高盐水和海水淡化过程中残留化学物质的海洋生物。Qadir 警告说，尽管该行业有处理废物的方法，但随着行业的持续扩大，这可能会成为一个日益严峻的问题。

Qadir 说，即使有这些可能的改进，如今海水淡化对一些国家来说仍然价格高昂得离谱。建造海水淡化厂可能需要数十亿美元，耗时数年。虽然有旨在使该过程更易于获得的具体研究，但价格仍然是一个限制因素。Lienhard 说：“对于每天收入 2 美元的人来说，很难达到他们能接受的价格，这也是我想看到更多努力的领域。”

随着地球面临不确定的水未来，海水淡化将继续为缺水城市提供淡水。它能否在向可再生能源过渡的同时，并惠及最需要它的世界地区，仍有待观察。