盐水如何“变身”为饮用水？探究盐水处理新方案 |《自然》长文

几千年来，人们一直在从水中分离盐分，这样，从含盐的海水中既能获取盐，也能获取淡水。但是，各种脱盐方法的作用是有限度的——这种局限有时可能带来严重后果。在古代的美索不达米亚地区，人们始终没能找到为灌溉用水脱盐的办法，无法遏止盐分在土壤中累积，最终社会崩溃了。“脱盐可能是世界上最古老、最无趣，却非常严重的问题。”美国马里兰大学帕克分校的水文学家Sujay Kaushal说。 

如今，脱盐问题正越来越迫在眉睫。由于诸多原因，淡水水体的含盐量在不断增长。在沿海地区，海平面上升把盐分推入了地下水；另一些地区，由于过量抽取地下水，含盐量更高的水从较深处进入了含水层。不仅如此，人类活动——从道路除冰到洗涤衣物，再到土壤施肥——都使地表水遭受了多种盐类的污染。2023年10月，Kaushal 及其同事报告，世界各地主要溪流江河的水体含盐量均大幅上升，部分水体的含盐量比起几十年前已经翻了好几倍[1]。Kaushal 表示，淡水盐碱化是全球性的大问题，而不仅是区域性的。

另一个相关问题是，废盐水的处理问题越来越令人头疼。各种工业部门——从石油、天然气开采，到生产饮用水的脱盐厂——都会产生处理成本高昂的废盐水。“我们需要想办法处理盐水。”美国耶鲁大学的环境工程师Menachem Elimelech说。 

与上述问题相对的是采盐业的现状。每年，都有数亿吨矿物盐从岩石和盐水水体中开采出来。例如，死海是钾盐的主要产区，美国犹他州的大盐湖是镁盐的主要产区。至于锂——电池生产和绿色技术的关键金属原料，矿业公司们则从全球各地的盐水中寻求供给。

一些研究者在这一领域察觉到了机会，希望能找到办法，从废盐水中把盐提取出来，这样不仅能把问题变成盈利点，还能获取更多淡水。 

为此，科学家们正在进行技术探索，使用电力、新材料或溶剂，力求更高效地把盐分从水中分离出来。美国范德比尔特大学环境工程师Shihong Lin介绍道，盐水处理涉及的化学物质繁多，目标也多种多样，因此并没有哪一种技术称得上“王牌”。“可以说，这是上千种不同的问题。”Lin说。 

很明显，无论是对人类还是动植物，含盐量极高的水都不利于健康。海水的含盐量约为3.5%，其中大部分是氯化钠，饮用海水会引发肾功能丧失，进而致死。微咸地下水含盐量约为0.1%~1%，一般都需要脱盐后才能饮用。但是，含盐量更低的水会如何影响健康很难说。“是不是喝上30年不会有任何问题、不增加任何疾病风险，谁也不知道。”Lin说。

无论是对人类还是动植物，含盐量极高的水都不利于健康。| Unsplash

饮用水含盐量并没有公认的安全上限。世界卫生组织建议，饮用水的钠含量应不高于200毫克/升（0.02%），氯化物含量应不高于250毫克/升（0.025%），但这一建议指标主要还是基于饮用水的口感。Kaushal提到一项研究，将孟加拉国的饮用水钠含量高于0.03%与孕妇的先兆子痫和妊娠高血压发病率增加关联起来[2]。美国宾夕法尼亚大学社会科学家Allison Lassiter表示，含盐量高的水还可能导致另一些间接危害，例如，水中的盐分可能与多种重金属发生互换，致使重金属从土壤和管道设备中溶出。 

随着水体含盐量日益上升，专家们一致认为，最大的当务之急是约束人类活动对水的盐污染，保护淡水，并对废水进行再利用。不过，包括 Lassiter和Kaushal在内的许多研究者都认为，通过脱盐技术缓解淡水短缺的需求将日益增长。

脱盐的典型方法是加热海水，让水分蒸发，再凝结水蒸气。如今，这一基本原理仍在全球各地的脱盐厂中广泛使用，特别是中东波斯湾沿岸的脱盐厂。但这种方法的能耗很大。 

1960年代，出现了能耗效率更高的脱盐技术，即运用物理压力迫使水分子穿过一层薄膜，薄膜的孔洞极小，水分子能穿到另一侧，而水中的盐离子会被薄膜拦住。这一过程称为反渗透（reverse osmosis），是当前脱盐厂采用的最佳方案。 

但反渗透法的问题在于，其脱盐效果是有极限的。随着淡水被提取出来，盐水的含盐量反而会比最初更高，导致分离流程越来越难以为继。沙特阿拉伯盐水转化公司（the Saline Water Conversion Corporation [SWCC]）的化学家Christopher Fellows表示，这是一个“无法回避的问题”。一切脱盐方法，不论形式如何，最后都会残留需要处理的废盐水。 

一些废盐水直接排入了海洋。例如，美国加利福尼亚州有一个名为“盐水线”的管道系统，距离海边100多千米的地区能借助这条管道把废盐水输送入海。在其它一些地区，最经济的办法则是把废盐水注入地下——在远离人们利用的地下水位置。但这个方法可能导致微地震，因而多受诟病。

还有一种办法是，把盐水注入蒸发池，让水分在太阳下蒸发，再收集余下的盐分。但这种方法不仅费地费时，还必须气候适宜。浓缩盐水还有更快速、更集约的方法，即加热盐水并压缩水蒸气，从而加速蒸发过程。但是，美国哥伦比亚大学环境工程师Ngai Yin Yip指出，这种办法不仅能耗高得惊人，设备还要采用昂贵的合金材料，才能抵御高温盐水的腐蚀。

安全的盐水处理方法可能会异常昂贵。例如，一些社区的地下水是微咸水，但他们付不起盐水处理的花销，无法给地下水脱盐，只能从别的地方获取淡水。一些研究者建议对加利福尼亚的索尔顿湖进行脱盐，因为其含盐量越来越高，已经威胁到了湖中野生动物的生存；他们也在为应付高昂的盐水治理费用而头疼。 

一些研究者正在思考，如何从盐水中采集矿物，而不是丢弃盐水。美国普林斯顿大学的环境工程师Jason Ren 认为，这一思路更契合他的观点：清洁的饮用水应该是一项人权。他指出，脱盐企业获取利润的途径应该是销售盐，而非清洁的水。“多少年来，我们都没做到点子上。”Ren说，“我们一门心思把水当作产品，但在我看来，产品应是其它资源，而水是副产品。” 

Ren等人着眼于一种价值尤其高的矿物：锂。目前，干旱的南美洲从天然盐水中开采锂，其产量占据了全球锂供应量的相当一部分。天然盐水铺在大片的蒸发池中，经受数月的太阳照射，使得水分蒸发。而除此之外，研究者们还发现了其它富含锂的盐水——例如石油和天然气工业的废水，这让他们认识到，需要新的脱盐技术，从而适应因土地面积不足或气候不适宜建设蒸发池的地区。 

普林斯顿大学的研究人员利用层析原理，让锂和其它盐沿着吊垂的绳子从水中分离出来。| Bumper DeJesus/Princeton University

有些别的盐水或能成为氯化钠的新来源。但是如今，一些企业反而要用淡水采盐：他们用管道输送淡水，穿透地下的含盐层，溶解其中的氯化钠；然后再把高纯度的盐水泵上来，通过管道等途径输送到氯碱厂——一半以上的化学品产出，靠的都是这些化学精炼厂。 

即使废盐水中不含任何特别有价值的盐分，研究水的学者仍有理由倡导从废盐水中提取矿物的思路：把盐从盐水中提取出来 ，不仅能获取更多淡水，而且废盐水的处理费用也会随着其体量减少而降低。 

在沙特阿拉伯，政府所有的SWCC意识到，在产出更多淡水的同时，还有机会能收获额外收入。目前SWCC正在建设一个示范工厂，从含有多种盐的海水淡化废水中采集氯化钠等盐类。

该厂计划于2024年底在哈克尔动工，据Fellows介绍，该厂将在一长串盐水处理流程中使用一种名为“纳滤（nanofiltration）”的新兴技术，进行盐分的选择性提取。纳滤法的工作原理与反渗透法一样，是推动水分子穿过一层膜，只是这层膜的孔洞更大，一部分盐离子也能穿过。钠、钾、氯等只有一个电荷的溶解盐离子可以穿过孔洞，而镁、钙等有两个或两个以上电荷的离子就无法穿过了。SWCC面临的关键难题，是使得产出的氯化钠纯度足以满足氯碱市场的要求。

SWCC这家工厂处理盐水的最后一步，是将盐水高温煮沸，直至得到纯氯化钠结晶。Fellows表示，这一步耗能巨大，还远远不尽人意。他的团队已经开始为这一步探索其它方法，如冷冻脱盐。冷冻脱盐的启示源于这样一种自然现象：海水是咸的，但海冰是淡水冻结成的。Fellows觉得冷冻脱盐非常有吸引力，因为把冰冷的水冷冻起来，能耗只有将其煮沸蒸发的1/7。“当下我还不知道哪种方法最好，但我们要分离的物质不同，最佳方法也就不同。”Fellows说。 

还有很多团队在研究另一种办法，用电而非用压力来分离物质。这一技术使用电流，牵引溶解的盐离子穿过特制的离子交换膜，这就使得离子只能朝着一个方向运动。随着离子穿过一层层膜，盐水的浓度就会逐渐降低，也就越接近淡水。研究者认为，对含盐量极高的盐水，这种方法将能用于预稀释，接着就可以用传统的反渗透法分离出更多淡水。

Lin的团队尝试了一种电力方法的变体，让穿过离子交换膜的浓缩盐离子积聚起来，直至形成固态晶体[3]。Lin说，这种方法在不蒸发水分的前提下生成盐结晶，对部分盐类很管用，例如电厂废水中常见的硫酸钠；但是对于废盐水中含量最高的盐类——氯化钠，效果并不理想。他表示，钠离子和氯离子与水分子的结合得太紧密了，甚至会把水分子也拖到膜的另一侧来。

Yip的团队则既没有使用蒸发，也没有使用薄膜，而是诉诸化学溶剂[4]。一个很有前景的方案是，利用一种名为二异丙胺（diisopropylamine）的现成溶剂[5]。二异丙胺溶剂浮在高浓度盐水的顶部，在低温条件下，它会选择性地吸收水分子，留下大部分盐离子；温度较高时，二异丙胺又会转化为斥水物质，把吸收的水分子快速大量释放出来。由此，可以把水恢复成淡水，溶剂也可以重复使用。

Yip表示，他的团队已使用这种方法，从含盐量为海水10倍的盐水样本里恢复出淡水——常规的反渗透法根本无法做到这一点。当然，他们表示，这样得到的淡水尚无法饮用，还需要后续步骤除去污染性的溶剂和盐分。但是，这种方法将有助于工业部门从自己产生的废盐水中回收水。该团队目前正在参加美国能源部主办的一项有奖挑战赛，比赛要求建设一个利用太阳能完成除水步骤的小型试点。

Ren及其同事受到树木的启发，采用了一种完全不同的方法[6]。树木可以对抗重力，把水向上抽取数米之高，从叶片排出干净的水蒸气，而把水中溶解的化合物留在组织中。Ren的团队效仿树木，用纤维制成长绳，绳子的一端浸泡在盐水中。随着盐水向上运动，盐就会分离出来。这一方法运用的是司空见惯的层析原理——同一介质中，不同化合物的运动速度不同。 

Ren的主要目标是氯化锂，这种物质溶解性极强，而且很小，所以其离子沿绳子爬升的速度很快，快于更大的钠离子。运用这种方法，Ren已经成功地从智利的天然盐水样本中提取出了锂，能耗量和使用的空间面积都少于传统的蒸发法。他的团队正在设计一种封闭模块，把这种绳索大量聚合到一起。他们的目标是从石油和天然气工业的废盐水中提取出锂，同时把蒸发的水分恢复成淡水。 

除此之外，自然界还有很多现象能给人启发，比如细胞膜中镶嵌的通道蛋白，它们具有很强的选择性。Elimelech说，有一种类型的离子通道蛋白，每通过1000个钾离子才能通过一个钠离子。日前，Elimelech的团队正在研发模仿这些通道蛋白的膜，但研发尚处于最初阶段。  

这些方案中是否有哪一种能受到青睐，取决于经济因素。Fellows指出，如果SWCC能从沙特阿拉伯海水淡化的盐废水中提取出全部氯化钠，足以满足全球市场1/3的需求。与此同时，微咸水脱盐后残留的废盐水能供给充足的石膏矿，但与从岩石中采矿的传统方法相比，这种从盐水中采矿的新方法在经济上很难占优。 

Fellows表示，新的市场——例如锌溴电池等由盐驱动的技术的产生——可以创造对某些盐类的新需求。监管也可以发挥作用，既可以进一步提升废盐水处理的成本，也可以激励在各种用途中应用盐水提取的盐类，例如在除冰盐中使用从盐水提取的石膏。

非常明确的一点是：对淡水的需求正在增长。研究人员指出，运用新技术打破当前脱盐技术的局限固然重要，但无法取代对淡水的保护。保护淡水仍然是最根本的。不管如何把盐从水中分离出来，都要投入能源、时间，或土地空间，所以脱盐无论如何都会有成本。“这里没有什么灵丹妙药。” Elimelech说。 

[1] Kaushal, S. S. et al. Nature Rev. Earth Environ. 4, 770–784 (2023).

[2] Khan A. E. et al. PLoS ONE 9, e108715 (2014).

[3] Zhang, X. et al. Nature Water 1, 547–554 (2023).

[4] Boo, C., Winton, R. K., Conway, K. M. & Yip, N. Y. Environ. Sci. Technol. Lett. 6, 359–364 (2019).

[5] Boo, C., Billinge, I. H., Chen, X., Shah, K. M. & Yip, N. Y. Environ. Sci. Technol. 54, 9124–9131 (2020).

[6] Chen, X. et al. Nature Water 1, 808–817 (2023).

原文作者：XiaoZhi Lim

题图来源：Unsplash

原文以How do you make salty water drinkable? The hunt for fresh solutions to a briny problem标题发表在2024年7月4日《自然》的新闻特写版块上

© nature

doi:10.1038/d41586-024-02073-6