海水淡化：無奈的選擇
嚴(yán)重干旱迫使研究人員們不得不重新考慮如何利用科技來為人類提供更多的淡水。
在飽受干旱折磨的加利福尼亞州，圣地亞哥的情況是最為糟糕的。它的降水量甚至少于炎熱的洛杉磯或弗雷斯諾，地下水儲(chǔ)量低于加利福尼亞州的其他地區(qū)，超過８０%的生活及商業(yè)用水依賴外部輸入，而水的來源日益緊張。人們對(duì)科羅拉多河的過度取水使其幾近干涸，州政府今年從北部400英里外的薩克拉門托河三角洲調(diào)水配給圣地亞哥，削減了加利福尼亞中央谷地區(qū)農(nóng)場(chǎng)主們的灌溉用水。將來世界上會(huì)有許多地區(qū)會(huì)像現(xiàn)在的圣地亞哥縣一樣：炎熱，干旱，人口持續(xù)增長(zhǎng)。縣政府最近決定：投資１０億美元建立西半球最大的海水淡化工廠。
這項(xiàng)位于卡爾斯巴德的大項(xiàng)目有近５００人參與建設(shè)，預(yù)計(jì)明年完工，投產(chǎn)后每日可處理１億加侖的太平洋海水，生產(chǎn)出５４００萬加侖可飲用淡水。雖然這只能滿足該縣用水需求的１０%，但仍是一種重要而可靠的抗擊干旱的手段，有助于防止情況進(jìn)一步惡化。
圣地亞哥寄希望于將現(xiàn)代工程技術(shù)與使用了幾十年的脫鹽技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)海水淡化。在地下修建一條通向附近水塘的管溝；在１８?jìng)�(gè)房子大小的混凝土水池中裝滿沙子和木炭，對(duì)海水進(jìn)行脫鹽前的處理；加壓裝置與一條直徑一米的不銹鋼管道連接。通過這條閃閃發(fā)光的管道利用高壓將水輸送入2000個(gè)玻璃纖維管，在這些纖維管中，水流通過高分子半透膜進(jìn)行過濾，將鹽水阻隔，得到淡水。
這就是反滲透法（ＲＯ），是全世界大型脫鹽設(shè)施廣泛采用的一種方法。在壓力的作用下，水分子可以通過高分子膜，而鹽和其他無機(jī)雜質(zhì)則不能通過。自2000年以來，全球海水淡化產(chǎn)量增長(zhǎng)了三倍：全球有16000家工廠成立并運(yùn)行，隨著技術(shù)的發(fā)展，工廠數(shù)量有望繼續(xù)增加。例如，卡爾斯巴德已經(jīng)配備了最新技術(shù)的商用薄膜和先進(jìn)的壓力恢復(fù)系統(tǒng)，但工廠的建設(shè)成本和運(yùn)行成本仍高居不下。
事實(shí)上，海水淡化的成本十分高昂。根據(jù)實(shí)地情況，每英畝－英尺水（兩個(gè)美國(guó)五口之家的每年用水量）的售價(jià)在1000美元至2500美元之間。在卡爾斯巴德，這一價(jià)格為2500美元左右，比從其他地區(qū)購(gòu)買處理過的水高出80%以上。其中的一個(gè)原因就是，使水通過薄膜需要大量的能量。與大部分海水淡化工廠一樣，卡爾斯巴德工廠擁有備用的水泵和薄膜管以及超強(qiáng)處理能力，這是為了更好的保證工廠正常運(yùn)行。
“這個(gè)工廠對(duì)于圣地亞哥來說太重要了，為了保證穩(wěn)定運(yùn)行，工廠配備了大量的備用設(shè)備，”工廠的所有者、波塞冬水務(wù)公司（Poseidon Water）的副總裁喬納森·洛弗蘭德說，“如果有哪個(gè)部件發(fā)生了故障，備用部件會(huì)立即接替它的工作。”
目前，全世界有大約7億人口遭受水荒之苦，而十年之后這一數(shù)字將達(dá)到18億�，F(xiàn)在有一些國(guó)家，如以色列，已經(jīng)嚴(yán)重依賴海水淡化；將來會(huì)有更多國(guó)家發(fā)生這種狀況。
在許多地區(qū)，“已經(jīng)達(dá)到再生水資源的極限，但人口還在不斷增長(zhǎng)，”機(jī)械工程師、麻省理工大學(xué)的清潔水與清潔能源中心主任約翰·立恩哈德說，“而且全球變暖使得很多地區(qū)的氣候更為炎熱、干旱，這將進(jìn)一步減少可利用再生水資源的數(shù)量。”
雖然節(jié)約和循環(huán)使用會(huì)對(duì)水資源起到保護(hù)作用，但是巧婦難為無米之炊，沒有水何談再利用？“隨著沿海城市的發(fā)展，”他說，“海水淡化將愈發(fā)重要起來，而且很有可能得到廣泛應(yīng)用。”
但好消息是，海水淡化在技術(shù)上得到了很大改進(jìn)。使用傳感器優(yōu)化配置、自動(dòng)化操作、再加上新型薄膜的使用最終可以使淡化工廠的規(guī)�？s小一倍，能源消耗也減少一倍。因此，可在遠(yuǎn)離海洋幾百英里之外需水量較大的農(nóng)業(yè)區(qū)使用小型流動(dòng)淡化裝置。
聰明的水
加利福尼亞大學(xué)水技術(shù)研究中心的負(fù)責(zé)人、化學(xué)工程師約拉姆·科恩（Yoram Cohen）每隔兩個(gè)星期就會(huì)去一次干旱肆虐的圣華金河谷。那是加利福尼亞州中部的一片廣闊農(nóng)業(yè)區(qū)，是美國(guó)的重要糧食產(chǎn)區(qū)，正遭受著嚴(yán)重干旱的襲擊。去年，也就是2014年，是那里連續(xù)干旱的第三年，對(duì)于水的需求達(dá)到了歷史最高值。
不久前，我和科恩去了一次圣華金谷：我們從他位于ＵＣＬＡ的實(shí)驗(yàn)室驅(qū)車來到法爾博（Firebaugh）谷鎮(zhèn)，這是加利福尼亞州干旱最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。沿著連接加利福尼亞南部海濱城市與中央谷的高速公路，我們看到了大量修建于上世紀(jì)五十年代的水利工程，其中包括四個(gè)穿過特哈查比山脈（TehachapiMountains）的大型管道系統(tǒng)和以混凝土為內(nèi)襯的加利福尼亞溝渠，溝渠在谷底形成蜿蜒曲折的蛇形軌跡。
加利福尼亞的水利系統(tǒng)大約有80%為農(nóng)業(yè)提供服務(wù)，有２０%為城市提供服務(wù)，現(xiàn)在仍然使用水泵將水從薩克拉門托河三角洲通過444英里長(zhǎng)的加利福尼亞溝渠輸送到各地。正是這些水利設(shè)施造就了今天的加利福尼亞州。
加利福尼亞的水利系統(tǒng)承擔(dān)著巨大的供水負(fù)荷，由于持續(xù)缺乏降水，加利福尼亞州８０%的地區(qū)正處于“極度”或“罕見”干旱，因此不得不限制城鎮(zhèn)用水，并削減農(nóng)業(yè)用水。干旱所造成的后果隨處可見：由于缺水干涸而被廢棄的農(nóng)田；路標(biāo)上寫著“嚴(yán)重干旱”字樣的警示語；所有跡象都在告訴人們“水＝工作”。根據(jù)加利福尼亞大學(xué)戴維斯最近進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查，僅2014年一年，干旱造成的農(nóng)業(yè)損失就達(dá)15億美元。
出生于以色列的科恩告訴我，盡管缺水形勢(shì)嚴(yán)峻，海水淡化技術(shù)自從上世紀(jì)八十所代以來卻未有根本性改變。大項(xiàng)目的規(guī)劃時(shí)間過長(zhǎng)（卡爾斯巴德用了１４年），這很難使投資者們認(rèn)為可以通過新技術(shù)獲得豐厚回報(bào)，而且美國(guó)政府將研究資金優(yōu)先投入到了其他方面。此外，通過循環(huán)利用或節(jié)約用水也可能解決缺水難題，這就使造價(jià)高昂的海水淡化顯得不那么重要�？贫鬟�說，從另一方面來說，海水淡化正朝著信號(hào)傳感、自動(dòng)化和算法控制程序轉(zhuǎn)變，而正是這些技術(shù)使其他產(chǎn)業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化。接下來我就見證了他所說的。
落日的余輝在崎嶇的路面上投下長(zhǎng)長(zhǎng)的影子。我們的車子駛下高速公路，又行駛了九英里以后，向右拐入一條兩側(cè)種滿阿月渾子樹的小巷。天色漸暗，車燈射出光柱消失在茫茫的沙漠中。當(dāng)我打開車窗時(shí)，一股好似海水氣味的鹽咸氣息撲面而來。在車燈的照射下，我發(fā)現(xiàn)了原因所在：從一條管道向外噴出循環(huán)使用的農(nóng)業(yè)用水。這些水原本是源自薩拉門托三角洲的淡水，在溝渠系統(tǒng)中由于蒸發(fā)濃度越來越大，而且在澆灌莊稼時(shí)收集了土壤中的礦物質(zhì)，然后又將這些礦物質(zhì)隨灌溉施予農(nóng)作物。這些水現(xiàn)在就像海水一樣咸，含有多種礦物質(zhì)和化肥。
科恩帶我來一架拖車附近，拖車?yán)镒≈鴥蓚�(gè)研究生，車?yán)镌O(shè)有水箱、管道、閥門、軟管和計(jì)算機(jī)。這是一個(gè)全自動(dòng)系統(tǒng)，可以處理含鹽污水或法爾博農(nóng)民產(chǎn)生的污水，每天可產(chǎn)出30000加侖的可飲用水。
計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的實(shí)時(shí)黑白圖像看起來就像月球上的景象，這是拍攝自處理工序的核心——聚酰胺膜的圖像。圖像中的幾處白色區(qū)域表示有礦物質(zhì)結(jié)垢，這對(duì)于滲透膜來說是個(gè)災(zāi)難。圖像分析軟件可監(jiān)測(cè)到結(jié)垢的發(fā)生，然后程序?qū)㈤y門打開，向系統(tǒng)中加入防垢劑，由此解決結(jié)垢問題。系統(tǒng)中的其他傳感器和控制裝置可以提高系統(tǒng)的性能，通過改變壓力或改變預(yù)處理中化學(xué)添加劑的用量來防止其他污垢問題的產(chǎn)生。
雖然還只是在建設(shè)中，加利福尼亞州卡爾斯巴德的海水淡化工廠將會(huì)是美國(guó)最大的海水淡化設(shè)施。這些等待安裝的設(shè)備是包裹在聚酯薄膜中的渦輪泵，用于泵送潔凈水。
科恩來到一根塑料管前，擰開一個(gè)水龍頭。干凈的水流了出來，他用手捧住一些水，喝了一小口，將其余的水擦到臉上。“如果我們能夠制造出不需要人駕駛的汽車，為什么不能建造出不需要人操作的ＲＯ工廠呢？”
這樣的工廠可以節(jié)省巨大成本：這種自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與傳統(tǒng)的海水淡化工廠相比可節(jié)省三分之一至一半的成本，科恩說道。不僅如此，拖車大小的處理系統(tǒng)能在不同地點(diǎn)和不同條件下按小時(shí)使用，可隨處移動(dòng)，無論農(nóng)民在何地有需要都可以幫助他們獲得淡水。
神奇的薄膜
雖然水處理系統(tǒng)越來越智能，但反滲透技術(shù)仍然是一種極其耗能的技術(shù)�？査拱偷旅磕晗牡碾娏繉⒊^35兆瓦（可供3000戶家庭使用的電量），約合３千萬美元。其中的三分之二電量將用于保證水壓，以使水處理系統(tǒng)正常運(yùn)行。（其余的三分之一大部分用于將水泵入10英里高的儲(chǔ)水裝置以及預(yù)處理和取水泵。）卡爾斯巴德工廠的擁有者預(yù)計(jì)淡化出每立方米水需耗用2.8千瓦時(shí)的電量。立恩哈德表示，一些采用其他處理方式的小型反滲透系統(tǒng)（分批泵水，而不是連續(xù)泵水）所耗用的電量為1.5千瓦時(shí)到1.7千瓦。但是這種技術(shù)并未獲批大規(guī)模使用。
問題出在哪里呢？要使水通過薄膜并不是件容易的事——所需的壓力要消耗大量能量才能達(dá)到。這種相對(duì)較厚的聚酰胺膜雖然不是最理想的薄膜，但卻是目前我們能使用的最好的薄膜。一些機(jī)構(gòu)正努力研制效率更高的材料。在麻省理工學(xué)院，機(jī)械工程師若西德·卡尼克（Rohit Karnik）領(lǐng)帶他的團(tuán)隊(duì)正研制一種只有一個(gè)原子厚度的薄膜，可以令水分子輕松通過。研究者們用離子束沖擊石墨烯后，將其進(jìn)行化學(xué)腐蝕，在上面蝕鏤出不足一微米的微孔。
從理論上講，這種基本上是二維的薄膜產(chǎn)生的阻力最小。杰弗里·羅斯曼（Jeffrey Grossman）的材料科學(xué)與工程學(xué)團(tuán)隊(duì)在麻省理工大學(xué)制出的計(jì)算機(jī)模型顯示，石墨烯薄膜可將反滲透技術(shù)的能量消耗減少１５%到４６%。而且，這種薄膜的高滲透性使得水通過薄膜要求的表面積小得多，因此整個(gè)工廠的規(guī)�？梢钥s小一倍。
到目前為止，卡尼克已經(jīng)制出一平方厘米大小的微孔石墨烯薄膜，它可以選擇性地阻止某些離子通過。但是卡尼克表示，這種薄膜還不能真正用于淡化海水，即使是在實(shí)驗(yàn)室也不能達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。一旦他或其他研究機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)，接下來的挑戰(zhàn)就是如何制造出性質(zhì)均勻一致的大薄膜�？峥藢�(duì)此表示樂觀，但他表示這一目標(biāo)還需數(shù)年時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。
由于納米工程技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的薄膜材料得到了改進(jìn)。在法爾博拖車的一角，科恩正在用他團(tuán)隊(duì)研制出的一種薄膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)�；讓佑删埘０分瞥�，但他在上面增加了一個(gè)由親水聚合物制成的觸須層，這一層可以吸收更多水分。初期研究顯示這些親水膜有很強(qiáng)的抗垢能力，這是因?yàn)檫@些觸須（他將之比作海底巖石上的巨藻）可以防止雜質(zhì)粘附。這就可以縮短停修時(shí)間、減少更換次數(shù)、提高處理能力。但是，科恩表示人們應(yīng)該現(xiàn)實(shí)一點(diǎn)，“人們總是認(rèn)為會(huì)有一種神奇的薄膜可以將海水淡化的成本削減為零，我想這是一種誤解。”
目前，在加利福尼亞的沿海城市，海水仍然是人們?cè)趪L試節(jié)約用水、循環(huán)利用、甚至是污水處理再利用后走投無路時(shí)的最后選擇。雖然許多城市正考慮海水淡化，但是最有可能步圣地亞哥后塵的城市是圣巴巴拉。這是因?yàn)樗谶B續(xù)五年干旱之后，于上世紀(jì)九十所初建立了一座ＲＯ工廠，但很快這家工廠在幾年豐沛的冬天降水后就被關(guān)閉了。圣巴巴拉最近開始投巨資修復(fù)這座工廠，以在必要時(shí)重新啟動(dòng)運(yùn)行。而其他城市則認(rèn)為海水淡化工廠造價(jià)過高而且會(huì)產(chǎn)生環(huán)境問題（脫鹽設(shè)施不可避免地會(huì)殺死魚卵和其他水生動(dòng)物，除非投巨資將進(jìn)水管埋入沙土之下）。
但是評(píng)估結(jié)果或許會(huì)改變?nèi)藗兊目捶�。從水庫引水或從遙遠(yuǎn)的三角洲取水的造價(jià)更為高昂——而且這也會(huì)帶來環(huán)境問題。由于水資源越來越少，在商業(yè)、農(nóng)民和城鎮(zhèn)居民間產(chǎn)生用水競(jìng)爭(zhēng)，我們必然會(huì)將目光轉(zhuǎn)移到海水和其他含鹽水資源上來。這可能不是最好的解決辦法，但是這個(gè)饑渴的世界留給我們的選擇越來越少了。
