海水淡化重大突破：治海淡 反渗透不是好药方
浩瀚的大海一望无际。我问：“君虽海量，不无病乎?碧波万顷，然无一瓢可饮也。”
大海回答说：我没有毛病。你走近看看，最好到海水里面看看。你不过是看到一些自由自在也是成双成对的带负电荷的阴离子、带正电荷的阳离子在一刻不停地晃晃荡荡，平均总含量不过是差不多每99个我水分子或离子中才1个盐分子或离子，或者体积上看，100份的水中只有1.5份的盐体积，或者重量上也就是3.5%的盐。所谓一粒老鼠屎坏了一锅粥，一个盐分子坏了我九十九个水分子。本来也是很容易不费钱的事情，用勺子抠出那粒老鼠屎，一锅粥也还能将就，用勺子抠出那个盐分子，一切都好。但大家不是这么简简单单科学地干的，而是干的很有技术含量，找来一张巨大的纱布，配上宏伟漂亮的机器设备，高大上耗电极多的压力泵，活生生的硬是把99份的稀粥压过纱布，把99个水分子压过反渗透膜，留下一粒大老鼠屎、一个盐分子。能不累、能不成本高?也好比99个黄豆中有一粒比黄豆还大的砂子，不是拣出砂子，而是拣出黄豆，其功夫不可谓不大啊。当然，找不到一把合适的勺子或拣砂子的工具，是这么累着干费钱费功夫干的根本原因。
海水中的这些阴离子大部分是氯离子，少量的硫酸根离子、碳酸根离子、溴离子和氟离子，阳离子则主要的是钠、镁、钙、钾和锶离子。其中的氯离子、钠离子还是人类天天需要食用的食盐。如果你有能耐，你还可以从我这里得到无穷尽的钾肥、镁金属，要知道，中国是一个典型的缺钾肥的国家，而镁金属比铝还轻巧，其作用比铝合金也毫不逊色。
要想喝淡水，只不过是请出这1%个数的阴阳离子而已，温柔点最好。就这么点含量，与人类工业污染的含无机盐废水的污染程度相比几乎是可忽略不计了。但现实是，海水淡化是如此的高大上，动用了巨大的国家资源，吸引了无数英雄豪杰，从英国人开始，一晃已经400多年了。
早些年，煮水论英雄，也是可以理解的。水沸腾了，强迫水分子和盐分子说再见，但代价也是巨大的，大量的热能被消耗了，不到万不得已，傻瓜才会这么干。后来，1930年代发现了只透过水不透过盐的半透膜，1953年美国人开始利用这种膜在高水压下，强行的也是恶狠狠的把水分子和盐分子分开在了膜的两边，就是所谓的反渗透海水淡化技术。再后来的60年时间里，反渗透成了一种淡化海水的习惯，这种技术几乎发展到了极致，但仍然需4度电左右换取一吨淡水。因为泥巴烧不着，所以能源在地球上还是稀有资源。这种用一种稀有资源换取另外一种稀缺资源的做法，肯定不是长久之计，也不合天理。因为技术惯性和知识框架的效应，最聪明的人继续幻想着如何更高效地让水分子透过膜，现在最玄幻的石墨烯、二硫化钼也被用来尝试作为渗透膜了。但无论如何，因为含盐水和淡水之间永远存在的渗透压，就是自然状态下，淡水在半透膜的一侧可以帮着膜对面的海水爬到250米高的摩天大楼上，这之间的压力就有25个大气压了。就算作为半透膜的反渗透膜本身没有任何阻力，也需要大于25个大气压的压力，才能强迫海水中的水分子脱离海水中盐的束缚进入淡水中。因为反渗透膜需要承受高水压，所以，其厚度不能太薄，无论如何，都需要能量让99%的水分子透过一个有厚度的膜【假如100%地海水淡化】。代价真的惨不忍睹，所谓望洋只能常常兴叹。
说来遗憾，自从1950年代有了可工业化应用的离子交换膜技术后，只是主要地用在了用电驱动的电渗析领域，比如离子膜法烧碱的生产，以及少量的用在了用浓度差驱动的扩散渗析领域，比如废酸、废碱的回收。本来，海水中的异物不过是些也有用也有价值的离子，况且数量也不是很多，按个数论，只有~1%。利用离子膜交换技术，依据等价交换原则，一种物质的正电离子和另外一种物质的正电离子，一个负电离子和另外一种负电离子在膜的两侧互相交换赎买，不动刀枪，海水淡化就不是像现在这样的暴力强迫水分子和盐分子互相拆散的行为，所谓杀敌一千自损几百了，而是文明的离子间的以物易物的文明交易行为。通过浓度差驱动的，也不是很费劲的离子膜交换，让海水里原来舒舒服服赖着不走的那些懒汉离子替换为喜欢离开水分子出来走走逛逛的阴阳离子。在元素周期表里，为了彻底地解决海水淡化问题，让海水成为大众的宝物，上苍恰恰给我们准备了一套唯一的一阴一阳两个离子。当他们阴阳交会之时，就是双飞之刻，留下淡淡的海水。
俄国化学家门捷列夫于1869年就发明了元素周期表，如何这两个阴阳离子一直就没有走出来显摆?一方面，这两个阴阳离子其实是排在元素周期表的背面的，只有翻过周期表才能看的到的，好比照镜子，需要看到镜子后面的影像。他们分别是由一个氮原子和4个氢原子所组成的铵离子，和由一个碳原子和3个氧原子组成的碳酸根离子。另一方面，还是因为离子交换膜多事，人造的东西，总是不完美的。比方说阳离子交换膜，它只让带正电的阳离子来回通过它满身的细小孔洞，这个事情做的很出色，很少有差错。为了适应目前电渗析方面的需要，阳离子膜生出来的时候大多数本身是强酸性的，虽然也有弱酸性的，不酸不碱中性的姐妹，强酸性强大到使其孔洞附近的水分子发生水解离成为氢阳离子和氢氧根阴离子。随之而来的问题是，当浓浓的铵离子发起进攻，准备透过阳离子膜与对面海水中为数并不多的阳离子进行交换时，铵离子首先碰到的是已经在膜孔洞中守株待兔的氢离子和氢氧根离子，并且氢离子和铵离子即刻进行位置交换，顿时使铵离子失去和海水中阳离子如钠、钾离子的交换能力。接下来更惨，铵阳离子还会被氢氧根阴离子所吸引，转化为氢氧化铵分子，氢氧化铵在水里憋不住，几经挣扎，一部分就分解成为水和臭臭的由一个氮原子和3个氢原子组成的氨气。也算是由多原子组合而成的离子所具有的一种缺陷，条件谈不好，可以自行分解而罢工。站在膜的旁边，你会发现，这根本就不是什么海水淡化，而是铵离子的自杀，留下了氢离子，冒出氨臭，和处在一间比较正规的厕所里的味道差不多。不排除这么些年来，也有人尝试过这样的海水淡化，但结果都是和进了一趟厕所一般，也就放弃了。现在，既然知道了这些来龙去脉，采用弱酸性或中性的阳离子膜，或者将铵离子放在碱性的溶液中，膜的孔洞中氢离子几乎绝迹，铵离子也就比较老实，去干正经的海水淡化的事情了。也许，这就是传说中的抠出盐分子的勺子和工具了。也是解决含酸、碱、盐类工业无机废水的一个有效的工具。
如果把海水淡化的困难看成是一种病，其病根应该是且仅仅是海水中的那一点点的盐不挥发也不沉淀，死皮赖脸的赖在水里，治这个病，现在是可能开错了反渗透这个药方了。好比从中国到印度，非得爬过喜马拉雅山的方法就是有病的了。错误的方法导致了一系列的后遗症，如淡化后的水质偏酸性需要调制，高能耗，一半的浓盐水排放喂鱼也害死鱼，需要能量回收装置增加了系统的复杂性，高压下膜易污染，高压泵难制造问题。而通过离子交换膜技术，通过等价交换，常温常压不用电渗析，轻松低能耗地让浓碳酸铵溶液中的铵阳离子与海水中的阳离子互换，碳酸根阴离子与海水中的阴离子互换，在不知不觉中，海水即转变为只含1%的挥发性的碳酸铵分子，相当于是把躲在99粒黄豆中的那粒砂子变成了一只更大的会飞的气球了。海水淡化也就转变成为简单的减压或催化挥发析出仅仅1%碳酸铵分子的问题，与渗透法透过99%的海水分子相比，能耗必然低的多，同时，海水中的矿物质自然地得到浓缩，方便后续的结晶提取，产生大量有价值的副产品。另外，其中的浓溶液碳酸铵可以一直不停地循环往复回收再用，没有浪费和理论消耗，如同电冰箱里的氟利昂，循环工作。由此，海水淡化将成为一个可盈利可创造社会财富的好事。
站在海水的角度，其实当前的海水淡化研究并非真正在海水，而是限定在淡化的设备方面了，比如，优化反渗透膜，寻找合适的正渗透膜，完善能量回收系统，制造高压泵等等，全然都是设备制造了，和海水本身并无多少直接的关系。正确的理解应该是，海水淡化本质的难点是且仅仅是其中的盐分不挥发不沉淀。以此为基础，通过先将海水进行变性成为只含挥发性的碳酸铵，再进行脱除碳酸铵【即二步法脱盐技术】达到低成本且可回收其中的资源的目的。正所谓，换个角度，风景全然是不同的了。
有了水，再谈谈水的问题。环境问题中水的问题是最大的问题，如果海水淡化过程可以低成本的进行，同时低成本的提取其中的钾盐作为钾肥，镁金属作为类似铝合金的基础材料，那么海水淡化就成为一个可称之为海水提炼的新兴行业，其本身就是一个可盈利可支撑社会经济发展的行业，不会成为一个因为饮用水问题而不得已为之并行补贴的公共工程了。另外，离子交换法海水淡化，没有反渗透海水淡化中的淡水酸化问题，所以可以直接进入自来水管网，因为是盈利的，其价格比当前的自来水价格更有竞争力，客观上，为解决自来水水质提供了一个最简单的技术选择，也是因为海水淡化是盈利的过程，淡化的海水还可以满足农业灌溉，工业生产的使用，为干旱盐碱化的有毒的土地的修复提供条件。
如果碳酸铵离子交换膜法淡化海水是可行的话，那么海水就将成为可为社会创造财富的资源，世界肯定会有所不同，也会变得更好，如果这个技术有问题的话【目前都还没发现有理论或技术问题】，那么问题是什么也是值得学术界和工业界研究的，也许沿此方向或类似方向，终究可以找到一条可盈利的海水淡化方法，突破现有技术框架，为将海水转化为一种真正的可创造财富的资源提供技术方法。
大道至简，海水淡化、海水提炼终究一定应该有一种简便易行的办法。面对地球上最大的资源-海水资源，人类没有理由不能够充分驾驭利用海水、海水中的矿产资源，从最早的煮水蒸馏，到复杂的渗透制水，再到今天简单的离子交换海水改性后淡化，应该是一个必然的过程。也或许、也期待会有更简洁的方法。
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