太阳能穹顶淡化海水原理（只靠太阳能实现海水淡化）

出品：科普中国

制作：山夕团队 党以凡

监制：中国科学院计算机网络信息中心

在人类面临的众多资源危机中，淡水危机可谓是“老大难”。5年前，由3万多名海洋科技工作者历时8年多完成的“我国近海海洋综合调查与评价”专项显示：我国11个沿海省（自治区、直辖市）所辖的52个沿海城市中，极度缺水的有18个、重度缺水10个、中度缺水9个、轻度缺水9个，近90%的城市存在不同程度缺水问题。面朝大海，这些城市为何缺水如此严重？

一直以来，淡水资源本身的稀缺与海水淡化成本之高昂，使得我们一直无法攻克这一难关。不过，最近听说美国科学家利用普通纳米炭黑粒子，只靠太阳能实现海水淡化，这又是什么操作？

研究人员利用市面上普通的纳米炭黑粒子，结合多孔聚合物研制出一层特殊材料，放置在滤膜表面。这层材料能吸收80％的阳光能量，只通过太阳能就可以加热海水、产生水蒸气。

这种膜蒸馏技术由于无须把海水加热到沸腾的程度，能耗比传统的热蒸馏要低，若大规模使用，节约的成本想必十分可观。那么淡水资源为何这般稀缺？海水淡化又需要经历怎样的流程？传统的技术是什么样的？下面我们就来了解一下！

淡水资源稀缺，海水淡化刻不容缓

我们常说我们的地球是个水球，到处都是水，但供人类生存发展使用的淡水却少得可怜。全球水量中，97％是不能饮用、不能灌溉、不能洗涤的海水，剩下3％的淡水的绝大部分又冻结在极地、高山的冰雪中。深埋在地下、悬浮于空气中的淡水也无法直接利用。其结果是，大约只有0．007％的存在于江、河、湖泊、水库和浅地层中的淡水是人类可以利用的。

全球淡水资源分布图（来源网络）

由于淡水分布的不均匀，地球陆地本来就有60％的地方是缺水地区和根本无水的沙漠。目前，全世界大约三分之一的人口生活在缺水状态中。据预测，到2025年，全世界三分之二的人口将生活在缺水状态中。

淡水危机如此严重是不奇怪的——3000年前的铜器时代，全球人口不过两三千万，现已突破60亿。为满足最低需要，一人一天要喝2至2.5升水，为保证一人一天所需，古代人一两担(50升)水就足够了，而现代城市居民，一天每人没有300升水，就不能保持生活的需要；现代农业、工业也都消耗大量淡水，没有水，工农业便不能发展。淡水缺乏如此急迫，向海洋索取淡水成为刻不容缓的任务。

海水淡化：百年追求的梦想

海水淡化是人类追求了几百年的梦想。早在世界大航海时代，英国王室就曾悬赏征求经济合算的海水淡化方法，但是，至今尚无人得到这一奖赏。因为到目前为止，海水淡化的方法虽然有了320多种，但还没有一种达到该奖赏规定的“物美价廉”的标准。

不过“物美价廉”、“经济合算”也是相对而言的。以石油为能源，从海水生产出来的淡水，可能比油还贵，可是在特定情况下，还是值得的。比如，大航海时代就已经有蒸馏器供远航帆船应急之用；轮船时代，几乎所有远洋商船和作战舰艇上都安装了应急的海水淡化设备。

此外，一些小型海岛，在国防、科学研究、资源开发方面地位十分重要。为保证驻岛人员的生活，除从大陆运送淡水外，安装代价昂贵的海水淡化装置也是必要的。

而在盛产石油、经济富有的中东国家，大多是干旱的沙漠地区。在这样的地区，水比油贵并不认为是不合算的。他们花费一些石油和金钱，大规模淡化海水，供应人们的生活，浇灌树木花草，美化环境。他们觉得这是很值得的。

海水淡化技术的发展

20世纪50年代以后，海水淡化作为一门现实的应用技术，发展迅速。在已经开发的二十几种淡化技术中，蒸馏法、电渗析法、反渗透法都达到了工业规模的生产应用。

电渗析淡化法是使用一种特别制造的薄膜实现的。

在电力作用下，海水中盐类的正离子穿过阳膜跑向阴极方向，不能穿过阴膜而留下来；负离子穿过阴膜跑向阳极方向，不能穿过阳膜而留下来。这样，盐类离子被交换走的管道中的海水就成了淡水，而盐类离子留下来的管道里的海水就成了被浓缩了的卤水。

电渗析淡化法原理示意图（来源网络）

反渗透淡化法更加绝妙。它使用的薄膜叫“半透膜”。半透膜的性能是只让淡水通过，不让盐分通过。如果不施加压力，用这种膜隔开咸水和淡水，淡水就自动地住咸水那边渗透。我们通过高压泵，对海水施加压力，海水中的淡水就透过膜到淡水那边去了，因此叫做反渗透，或逆渗透。

反渗透法原理示意图

蒸馏法的原理很简单，就是我们在实验室里制备蒸馏水的原理。把海水烧到沸腾，淡水蒸发为蒸汽，盐留在锅底，蒸汽冷凝为蒸馏水，即是淡水。

蒸馏法（来源网络）

这种古老的海水淡化方法，消耗大量能源，产生大量锅垢，很难大量生产淡水。现代多级闪急蒸馏淡化使古老的蒸馏法焕发了青春。

多级闪蒸（图片来源网络）

水在常规气压下，加热到100℃才沸腾成为蒸汽。如果使适当加温的海水进入真空或接近真空的蒸馏室，便会在瞬间急速蒸发为蒸汽。利用这一原理，可以做成多级闪急蒸馏海水淡化装置。

可见，百年以来，人们一直在寻找各种各样的方法淡化海水，以克服淡水资源紧缺的威胁，而我们新闻中所提到的膜蒸馏技术与纳米光子学结合的海水淡化法，则又是新的进步与鼓励，希望我们能早日求得解决之法，不过在这个问题彻底解决之前，小编还是例行提倡：节约用水，人人有责！

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。