海水假如咸,我们的没办法“望洋兴叹”吗?

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来源:中国科学院之声

地球——我们圆圆的、水汪汪的蓝色家园是因为它71%的表面积被海洋覆盖,这让地球看起来像今天这样。同时,海水储量约为13109亿吨,占地球水资源总量的97.4%。看看这些数字,很明显,水这么多,为什么还是很难用水?

图1 水资源示意图 (图片来自网络)

事实上,海水的含盐量极高。喝久了不仅会口渴,还会脱水而死。所以严格来说,人类和非海洋生物只能分享地球总水量的2.6%。此外,绝大多数唯一的淡水资源是难以利用的冰川水。而相对容易开发利用的河水、湖泊淡水、浅层地下水,往往会受到水污染的影响。因此,我们日常生活中真正的水资源非常稀缺。

那么面对巨大的海水资源,除了“望洋兴叹”,我们还能做什么呢?答案是赶走海水中的盐分,让海水像淡水一样为我们所用。

在这方面,我们可以向海洋动物学习。人不能直接靠盐水生活,但如何在海里遨游?这是因为海龟、海鱼等海洋动物可以利用其细胞的半透性粘膜对海水进行淡化和淡化,其细胞膜如口腔膜、管腔膜、表面膜等都是“海水淡化剂”。喝了海水后,通过口中吸入加压,压力差使一部分水透过黏膜进入体内。大部分盐在口中被堵塞,可以通过鳃裂或排泄管随水排出体外。

图2 海水鱼的水盐平衡 (图片来自网络)

受这一机制的启发,科学家们开发了一种反渗透海水淡化装置。关键材料之一是半透膜,它具有使物质通过的选择性功能。海水淡化中使用的半透膜允许水分子通过,但不允许离子(如Na、Mg2、Cl-等)通过。)或更大的分子(如葡萄糖、尿素等。)才能通过。这样,海水在淡化的同时,也起到了净水的作用。

当半透膜两侧的水溶液浓度不同时,低浓度溶液中的水在浓度梯度的作用下自发地透过半透膜向高浓度溶液一侧渗透,这就是渗透过程。这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。当高浓度溶液一侧液面不再上升时,两侧溶液达到渗透平衡,高度差引起的额外压力为渗透压。

如果对海水施加一个大于渗透压的外压,海水中的水会反向通过渗透膜,而盐会被半透膜阻挡。通过这个反渗透过程,脱盐的海水可以被收集在半透膜的另一侧。半透膜对盐的截留率可达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,淡化水产量可达200吨。

图3 渗透与反渗透原理 (图片来自网络)

但是,如果你不幸漂流到海里一个无人居住的小岛上,科学家的装置对你来说似乎有点不切实际,这个时候是没有办法喝淡水的。早在400多年前,欧洲航海家们就用火炉将海水煮沸,上升的水蒸气遇到较低温度的盖子后凝结成水滴,这是一种简单的蒸馏方法。

图4 简易蒸馏法装置 (图片来自网络)

如果你更倒霉,如果你在户外既没有火源,也没有锅,那下辈子就只能见你了吗?不要气馁!材料科学家最新研究成果拯救无助的漂泊者!

受秸秆根的输水功能和蒸腾作用的启发,科学家们设计了一种基于整体生物质的太阳能蒸汽发生装置:秸秆的下茎作为水泵,从岛上的土壤或海水中吸收水分,输送到上端;碳化秸秆与细菌纤维素复合制备具有高机械强度的亲水性光热膜,在太阳光的作用下可以蒸馏得到输送的水。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,它具有更高的蒸腾系数(680),这表明水稻具有优越的茎水分运输能力。稻秆的螺旋宏观结构和分级/纳米结构使其具有突出的泵送能力。在1kwm-2的光照下,整个生物质太阳能蒸汽发生器的净水效率可达1.2kgm-2h-1。特别是大米的太阳能不受各种含水介质(如沙子、土壤、海水)的影响,收集干净的水,蒸发性能稳定。经计算,该装置的日净水量在晴天为6.4-7.9公斤米-2,在阴天为4.6-5.6公斤米-2。该设计将“农业废弃物”转化为“生活营养品”,充分体现了环保和资源再利用的优势。只有使用自然设备才能帮助你获得淡水,没有其他形式的能源和二次污染。这样你就可以一边晒太阳一边享受新鲜的蒸馏淡水了!海岛度假将不再是梦想!

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”,而是希望能够尽快实现“水的自由”。