盐水如何“变身”为饮用水?探究盐水处理新方案 |《自然》长文

原文作者:XiaoZhi Lim

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新的脱盐方法能增加饮用水产量,帮许多工业部门解决头疼的盐水问题,并为电池生产供给更多锂原料。

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在孟加拉国,孕妇先兆子痫患病率上升,研究者认为这与饮用水的钠含量较高有关。来源:Probal Rashid/LightRocket/Getty

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。 

超高含盐量

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。 


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。

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在智利的锂矿,人们把盐水摊到一大片区域中,通过晾晒蒸发水分。研究人员正在探索其它更集约的锂盐提取方案。来源:Cristobal Olivares/Bloomberg/Getty

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。 

从盐水中采矿

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。 

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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。来源: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。 

新办法

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。  

价格的阻碍

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。 

参考文献:

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