海水淡化：無(wú)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(lái)為人類(lèi)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(guò)８０%的生活及商業(yè)用水依賴(lài)外部輸入，而水的來(lái)源日益緊張。人們對(duì)科羅拉多河的過(guò)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(mén)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(lái)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(wàn)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(lái)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(guò)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(guò)高分子半透膜進(jìn)行過(guò)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(guò)高分子膜，而鹽和其他無(wú)機(jī)雜質(zhì)則不能通過(guò)。自2000年以來(lái)，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(mǎi)處理過(guò)的水高出80%以上。其中的一個(gè)原因就是，使水通過(guò)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(lái)說(shuō)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(shuō)，“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。現(xiàn)在有一些國(guó)家，如以色列，已經(jīng)嚴(yán)重依賴(lài)海水淡化；將來(lái)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(shuō)，“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(wú)米之炊，沒(méi)有水何談再利用？“隨著沿海城市的發(fā)展，”他說(shuō)，“海水淡化將愈發(fā)重要起來(lái)，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(chē)來(lái)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(guò)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(mén)托河三角洲通過(guò)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(jiàn)”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(jiàn)：由于缺水干涸而被廢棄的農(nóng)田；路標(biāo)上寫(xiě)著“嚴(yán)重干旱”字樣的警示語(yǔ)；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(lái)卻未有根本性改變。大項(xiàng)目的規(guī)劃時(shí)間過(guò)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(guò)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(guò)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。科恩還說(shuō)，從另一方面來(lái)說(shuō)，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(lái)我就見(jiàn)證了他所說(shuō)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(chē)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(shù)的小巷。天色漸暗，車(chē)燈射出光柱消失在茫茫的沙漠中。當(dāng)我打開(kāi)車(chē)窗時(shí)，一股好似海水氣味的鹽咸氣息撲面而來(lái)。在車(chē)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(mén)托三角洲的淡水，在溝渠系統(tǒng)中由于蒸發(fā)濃度越來(lái)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(lái)一架拖車(chē)附近，拖車(chē)?yán)镒≈鴥蓚�(gè)研究生，車(chē)?yán)镌O(shè)有水箱、管道、閥門(mén)、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(lái)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(lái)說(shuō)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(mén)打開(kāi)，向系統(tǒng)中加入防垢劑，由此解決結(jié)垢問(wèn)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(guò)改變壓力或改變預(yù)處理中化學(xué)添加劑的用量來(lái)防止其他污垢問(wèn)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(lái)到一根塑料管前，擰開(kāi)一個(gè)水龍頭。干凈的水流了出來(lái)，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(chē)，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(shuō)道。不僅如此，拖車(chē)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(wú)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(lái)越智能，但反滲透技術(shù)仍然是一種極其耗能的技術(shù)。卡爾斯巴德每年消耗的電量將超過(guò)35兆瓦（可供3000戶家庭使用的電量），約合３千萬(wàn)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(wèn)題出在哪里呢？要使水通過(guò)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(guò)。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(guò)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(guò)。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(lái)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(lè)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(chē)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(wú)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(kāi)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(guò)高而且會(huì)產(chǎn)生環(huán)境問(wèn)題（脫鹽設(shè)施不可避免地會(huì)殺死魚(yú)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ā乃畮?kù)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(lái)環(huán)境問(wèn)題。由于水資源越來(lái)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(lái)。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(lái)越少了。
