海水那么咸，我们只能“望洋兴叹”吗？丨科普硅立方
编者按：中科院之声与中国科学院上海硅酸盐研究所联合开设“科普硅立方”专栏，为大家介绍先进无机非金属材料的前世今生。我们将带你——认识晶格，挑战势垒，寻觅暗物质，今古论陶瓷；弥补缺陷，能级跃迁，嫦娥织外衣，溢彩话琉璃。
地球——我们圆滚滚、水汪汪的蔚蓝色家园，是因其71%表面积由海洋所覆盖，使地球形成了如今的样貌。同时，海水的储量约为1.3×109亿吨，约占地球所有水资源总量的97.4%。瞧瞧这些数字，明明有那么多水量，为什么依然存在用水困难的现象呢？
图1 水资源示意图 （图片来自网络）
事实上，海水中具有极高的盐含量，如果长期饮用，不仅越喝越渴，还可能导致脱水死亡。因此严格来说，人类与非海洋生物只能共同享有地球总水量仅2.6%的淡水资源。并且在这仅存无几的淡水资源中，绝大多数还是难以利用的冰川水。然而相对易于开发利用的河流水、湖泊淡水和浅层地下水等又经常受到水污染的影响。因此，真正可供我们日常生活使用的水资源十分稀少。
那么面对庞大的海水资源，除了“望洋兴叹”，我们还可以做点什么呢？答案就是将海水中的盐分赶走，海水就可以像淡水一样为我们所用。
在这方面，我们可得向海生动物取经。人无法直接依靠盐水生存，而它们是如何在海水中遨游生活的呢？这是因为海龟、海水鱼等海生动物能利用自己身体上的细胞半渗透黏膜来脱盐淡化海水，它们身体的口腔膜、内腔膜和表皮膜等细胞膜都是“海水淡化器”。它们喝进海水后，首先在口腔内通过吸气不断增压，压力差使一部分水渗过黏膜进入机体内。而大部分盐则被阻隔在口腔内，可随水流经鳃裂或排泄道排到体外。
图2 海水鱼的水盐平衡 （图片来自网络）
受到此机制的启发，科学家们研制出反渗透海水脱盐淡化装置。其中一个关键的材料便是对物质通过具有选择性功能的半透膜。海水淡化所应用的半透膜允许水分子通过，但不允许离子（例如Na+，Mg2+，Cl-等）或较大分子（例如葡萄糖，尿素等）通过。这样在海水淡化的同时，也起到了水质净化的作用。
当位于半透膜两侧的水溶液浓度不同时，在浓度梯度的作用下，低浓度溶液中的水会自发地通过半透膜渗透到高浓度溶液一侧，这便是渗透过程。此时，两侧液面开始产生高度差，液面高度差产生的压力会阻碍渗透过程的进行。当高浓度溶液一侧的液面不再升高，两侧溶液达到渗透平衡，此时高度差产生的额外压力便是渗透压。
如果对海水施加大于渗透压的外加压力，此时海水中水分会反向通过渗透膜，而盐分则被半透膜阻隔无法通过。通过这个反渗透过程，半透膜的另一侧便能收集到淡化的海水。半透膜对盐的截留率可达到98%以上，我国的第一座反渗透海水淡化工程是1985年1月16日在西沙群岛永兴岛建成的，产淡化水可以达到两百吨。
图3 渗透与反渗透原理 （图片来自网络）
但是，如果你不幸漂流到大海中的无人岛上，科学家的装置似乎对你来说有点不切实际，此时若想喝到淡水也并非没有办法。早在四百多年前，欧洲的航海家就利用火炉煮沸海水，上行的水蒸气遇温度较低的盖子后，冷凝成水滴收集饮用，这就是简易的蒸馏法。
图4 简易蒸馏法装置 （图片来自网络）
要是更加不走运，你在户外既没有火源也没有锅，难道就只能下辈子见了吗？别气馁！材料学家们的最新研究成果将使孤身无助的漂流者绝处逢生！
受到秸秆根茎的输水功能和蒸腾作用启发，科学家们设计出基于全生物质的太阳能蒸汽发生装置：稻草的下部茎杆用作水泵，从海岛的土壤或者海水中吸取水分向上端输送；利用碳化的稻草和细菌纤维素的复合物制备了具有高机械强度的亲水性光热膜，可在太阳光作用下蒸馏得到运送上来的水分。水稻是三大粮食作物之一，与其他谷类作物（小麦510、玉米370、高粱320）相比，具有更高的蒸腾系数（∼680），说明水稻具有优越的茎秆输水能力。水稻茎秆的螺旋状宏观结构和层次结构/纳米结构使其具有突出的抽水能力。全生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：
１. 郑智颖,李凤臣,李倩,王璐,蔡伟华,李小斌,张红娜. 海水淡化技术应用研究及发展现状[J]. 科学通报,2016,61(21):2344-2370.
2. 沈明球,周玲,郝玉．我国海水综合利用现状及发展趋势研究[J]．海洋开发与管理,2010,27(7):23-27.
3. Amy. G, Ghaffour. N, Li. ZY, Francis. L, Linares. RV, Missimer. T, Lattemann. S. Membrane-based Seawater Desalination: Present and Future Prospects. Desalination, 2017,401:16-21.
4. Fang. QL, Li. TT, Chen. ZM, Lin. HB, Wang. P, Liu. F. Full Biomass-Derived Solar Stills for Robust and Stable Evaporation To Collect Clean Water from Various Water-Bearing Media. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019,11(11):10672-10679.
5. Ni. G, Zandavi. SH, Javid. SM, Boriskina.SV, Cooper.TA, Chen. G. A Salt-rejecting Floating Solar Still for Low-cost Desalination. Energy & Environmental Science, 2018,11(6):1510-1519.
来源：中国科学院上海硅酸盐研究所