【反渗透平衡怎么计算】海水那么咸，我们只能“望着大海叹息”吗？科普硅立方

编辑：中科院之声将与中国科学院上海硅酸盐研究所共同开设“科普硅立方”专栏，介绍先进无机非金属材料的前世今生。我们会带你认识——为格子，挑战壁垒，寻找暗物质，寻找这些古代论陶器。弥补缺陷，跃升到能级，嫦娥织外衣，越过彩马玻璃。

地球——我们圆圆的、闪闪发光的蓝色房子，因为其71%的表面积被海洋覆盖，地球形成了现在的样子。另一方面，海水储量约为1.3109亿吨，约占地球所有水资源总量的97.4%。看看这些数字，明明有那么多数量，为什么还有水荒？

图1水资源图(网络上提供照片)

事实上，海水中有很高的盐含量，长期饮用的话，越喝越渴，还可能因脱水而死亡。因此，严格来说，人类和非海洋生物只能共同享受地球总数量仅为2.6%的淡水资源。而且，这剩下的淡水资源中，绝大多数仍然是难以利用的冰川水。但是比较容易开发的河流水、湖泊淡水、浅层地下水等经常受到水污染的影响。因此，我们日常生活中实际可用的水资源非常稀少。

那么，面对庞大的海水资源，除了“望着大海叹息”之外，我们还能做什么呢？答案是，赶走海水中的盐分，海水就像淡水一样可以为我们使用。

在这方面，我们要向海生动物取经。人不能直接依靠盐水生活，他们如何在海水中游泳生活？因为海龟、海水鱼等海生动物可以利用自己体内的细胞反渗透粘膜去脱盐海水。因为这些身体的口腔膜、内腔膜、表皮膜等细胞膜都是“海水淡化期”。他们喝进海水后，先在嘴里吸气，不断增压，由于压力差异，部分水穿过粘膜进入气体。大部分盐被堵在嘴里，与水流一起，可以通过裂缝或排泄道排出体外。

图2海水鱼的胡须平衡(网络图片)

受该机制的启发，科学家们开发了反渗透海水淡化装置。重要材料之一是通过对物质具有选择性功能的半透膜。应用于海水淡化的半透膜可以由水分子通过，但不能由离子(如Na、Mg2、Cl-等)或大分子(如葡萄糖、尿素等)通过。这样海水淡化的同时，也起到水质净化的作用。

当半透膜两侧的水溶液浓度不同时，在浓度梯度的作用下，低浓度溶液的水会自发地通过半透膜渗透到高浓度溶液的一侧。这就是渗透过程。这时两边的面值开始产生高度差异，面值高度差异产生的压力会阻碍渗透过程的进行。如果高浓度溶液一侧的液面不再上升，两侧的溶液达到渗透平衡，则高度差异引起的额外压力为渗透压。

对海水施加大于渗透压力的加压，海水中水分会通过反渗透膜，盐分被反渗透膜堵塞，无法通过。通过这个反渗透过程，可以从半透膜的另一侧收集淡化的海水。半透膜的阻盐率可以达到98%以上，我国第一个反渗透海水淡化工程于1985年1月16日在西沙群岛永兴岛建成，产海水淡化水可以达到200吨。

图3渗透和反渗透原理(网上提供照片)

但是如果不幸漂到海里的荒岛上，科学家的装置对你来说可能有点不现实。这时候想喝淡水也不是没办法。大卫亚设，Northern Exposure早在400多年前，欧洲的航海者就用炉子煮海水，上行的水蒸气遇到温度低的盖子后凝结起来，用水滴收集起来喝，这是一种简单的蒸馏方法。

图4简易蒸馏法装置(网络照片)

如果更倒霉，野外没有花园，没有锅，下辈子能见面吗？不要气馁！材料学家们的最新研究成果将使孤身无助的漂流者绝育！

稻草秸秆根的输送功能和增产作用使科学家们设计了基于全生物质的太阳能蒸汽发生装置。稻草的下部茎用作泵，从岛上的土壤或海水中吸收水分，向上输送。利用碳化的稻草和细菌纤维素的复合物，可以制作出具有高机械强度的亲水性光热膜，蒸馏在太阳光作用下输送的水分。水稻是三大粮食作物之一，其增产系数(680)高于其他谷类作物(小麦510、玉米370、高粱320)，表明水稻具有优越的茎输送能力。水稻茎的螺旋宏观结构和层/纳米结构具有出色的羊水能力。前世

物质太阳能蒸汽发生装置在1kW·m^-2的光照下，产生净水效率可达到1.2kg·m^-2h^-1。特别是，水稻太阳能不受多种含水介质（如沙子、土壤和海水）的影响，以稳定的蒸发性能收集干净的水。经计算，装置在晴天的日净水量为6.4–7.9 kg·m^-2，阴天为4.6–5.6 kg·m^-2。这样的设计将“农耕废料”转化为 “生命养料”，充分体现环境友好和资源再利用的优势。仅仅使用天然装置就可助你获得淡水，不需要其他形式的能量，也不带来二次污染。如此一来，你就可以一边晒着太阳，一边淡定地喝着新鲜蒸馏的淡水了！孤岛度假将不再是梦！

图5 基于全生物质的太阳能蒸汽发生装置

随着海水淡化技术的不断发展，我们不再只能“望洋兴叹”，希望我们能早日实现“用水自由”。

参考文献：

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来源：中国科学院上海硅酸盐研究所