海水淡化：减轻口渴负担

自 1900 年代以来，大约有 11 万人因干旱的广泛影响而死亡。干旱——一个地区降水量低于平均水平的时期——是一个日益严重的全球性问题。后果包括淡水水位下降、饥荒和疾病。

海水淡化在全球范围内的意义

为了维持不断增长的人口，研究致力于开发这些问题的解决方案。地下水钻探和废水回收是临时解决方案的例子。这些解决方案之一就是海水淡化。海水淡化是通过反渗透迫使盐水通过膜，将淡水与杂质分离的过程。尽管海水淡化在以色列和加利福尼亚州等地得到了应用，但由于其能源消耗巨大的名声，海水淡化尚未被世界其他地区所利用。

降低成本的一种方法是用一种相对便宜的材料（称为聚酰胺）替代构造膜中使用的主要材料。不幸的是，这种替代会带来另一个代价。众所周知，氯是水净化中存在的一种化学物质，可以杀死细菌，但与聚酰胺接触会降解膜。为了避免变质，提取氯成为海水淡化过程中的一个额外步骤。然而，当缺乏氯时，就会出现微生物并阻碍水流。

一种可能的解决方案是用氧化石墨烯代替聚酰胺。复合石墨烯具有类似蜂窝的结构。据预测，这种材料将更容易渗透水，从而降低控制水流所需的压力。

麻省理工学院的材料科学家 Jeff Grossman、Shreya Dave 及其同事在他们的研究中利用了这种化合物。将从石墨片上剥离的石墨烯薄片放入水中。然后通过真空过滤吸出液体，留下薄片作为残余物。通过碳原子和氧原子的结合，残基被组合在一起形成块。这种融合被改变，使薄片之间的空间足够大，允许水分子流动，同时阻碍盐和其他杂质。事实证明，水分子比聚酰胺更容易穿过石墨膜。据推测，这种材料由于对水分子的抵抗力较小，可以进一步降低能量需求，尽管这一假设还有待检验。此外，氧化石墨烯的成本与聚酰胺的价格相差并不大。

海水淡化在以色列的应用

几年前，以色列面临着 900 年来最严重的严重干旱问题。为了应对干旱的土地，以色列探索了全国性的节水运动。 2007年，低流量厕所和淋浴喷头投入使用，排水系统的水被回收用于灌溉。然而，最大的改进是在实施海水淡化厂后实现的。例如，Sorek 海水淡化厂于 2013 年 XNUMX 月开始运营。它位于特拉维夫以南 XNUMX 英里处，是世界上最大的反渗透海水淡化设施。

随着水的加压流动，海水淡化过程中的一个常见问题是清除残留分子堵塞的孔隙的成本。以色列扎克伯格水研究所的 Edo Bar-Zeev 及其同事在改善水与污染物之间的分离方面取得了非凡的发现。他们使用了多孔熔岩，通过这种方式可以防止微生物与膜接触。这项技术提高了海水淡化厂的性能。现在，55% 的生活用水可追溯至海水淡化厂。

铝盘——供应给发展中国家

进一步的研究倾向于使用碳纳米管等替代材料作为膜。整合这些发现的根本问题是成本。必须在全球范围内考虑此类流程的应用。全球有些农村地区欠发达，可能没有资源开发海水淡化厂来服务其他地区。

为了应对这一挑战，中国南京大学的贾朱和同事致力于研究替代能源，例如太阳能。然而，仅依赖太阳的直接接触是有限的。研究正在研究使用可吸收材料来增加阳光的能量。一种可能的解决方案是使用吸收 96% 以上阳光的铝盘，其中 90% 用于形成水蒸气。饮酒标准也以这种方式达到。如果实施的话，铝是一种低成本材料，可以以与海水淡化厂相同的速度生产水。然而，由于蒸发后是纯蒸馏水，因此缺乏镁和钙等矿物质。因此，这只是一个临时解决方案，但从长远来看不应该使用。