科普知识：古人画井解渴的愿望变成现实

“画井解渴”的故事

古时候，当人们在茫茫大海上艰难地航行，面临着淡水告罄的威胁时，人们多么希望能有一个圆桶似的宝贝，只要将它往海里一放，那苦涩的海水就变成甘甜的淡水“咕咚咕咚”往上冒，让干渴的船员们喝个饱。最先提出这个大胆而美妙的设想的，是中国宋朝一个名叫周密的人。他写了本《癸辛杂谈》，书中描写了一个会造淡水的“宝贝”的故事。

故事说，有一家杂货店放着一个奇特的东西。说它像缸，可没有底;说它像烟囱，可又太大;而且它既非竹也非木，既非金属亦非砖石。有一天，一名海船商人路过此地，发现了这一奇物。他看了又看，摸了又摸，舍不得离去。店主走来，问商人买不买此物。商人忙说:“买!你要多少银子?”店主想敲竹杠，就说:“这是我家祖传宝物，非十两银不卖。”商人二话没说，付了银子，就叫人将奇物抬走。店主纳闷，问道:“你花那么多银子买此物何用?”商人告之:“此乃一宝物，名字叫‘海井’，是一口专造淡水的井。只要将它放到海里，不愁没有淡水喝。”说完，他又取出100两银，赠给店主。

随着科学技术的发展，今天人类已造出海水淡化机，将古人“画井解渴”的美好愿望变成了现实。

我们知道，海水含盐量太高，平均在千分之三十五左右，而日常生活用水的含盐量在万分之五左右，工农业用水的含盐量有的可以稍高一些，但也不能高于千分之三。要使海水像溪水那样甘甜爽口，就要脱掉海水中的盐分。脱盐，就是人们通常所说的“海水淡化”。

海水和苦咸水淡化，可以追溯到1000多年前。那时，希腊哲学家柏拉图已经认识到，如果用植物性材料过滤苦咸水，盐就会在材料上面贮存起来。亚里士多德早已知道:由盐溶液中蒸发出来的蒸汽冷却凝成水珠以后可以饮用。另外，普利纽斯在他的《自然史》中也这样写道:“航海者在作较长时间的海上旅行时，把海水装在陶罐中，使其蒸发，在罐盖上会出现冷凝水，便可以收集利用。”后来许多的航海者，特别是在罗马的船上，缺水时，都用蒸发法来制取淡水，供人们在航行中饮用。当年罗马帝国曾经用简单的蒸馏器提取淡水供被围困在埃及亚历山大的罗马军队饮用。

历史上第一次有记录的船用淡化器是1606年在西班牙大帆船上使用的。而在船上广泛地进行海水淡化，是19世纪末。那时，蒸汽轮船发展起来了，为了满足锅炉用水和一部分饮用水的需要，轮船上普遍安装了制造淡水的蒸发器。世界上第一台固定式淡化装置，于1877年在俄国巴库建成。此后，在欧洲及其他干旱国家也相继建立。

当然，上述种种海水淡化的器具和手段，还处于“初级阶段”。采用先进的技术设备，大规模地淡化海水。是在20世纪50年代后期。据统计，到1980年6月，仅蒸馏法、反渗透法和电渗析法三种类型的海水淡化装置已达2204个，总造水量每天约727万吨。从生产淡水的用途来看，主要是解决生活用水，有的用在工业上，少数供军事需要。像科威特、沙特阿拉伯等海湾国家，淡水的主要来源，就是海水淡化。像科威特日产900吨以上的海水淡化装置就有7个，其中最大日产1.8万吨以上的海水淡化装置有4个。

蒸馏法顾名思义，就是将海水加热沸腾变成不含盐分的蒸汽，蒸汽遇冷后凝聚成水珠汇集成淡水。蒸馏法海水淡化技术研究历史较长，在供水方面应用最广、起的作用最大。据统计，1977年世界蒸馏法造水能力日产达288吨，占所有淡化法总造水能力的78%。蒸馏法装置的类型有单级闪蒸式、多级闪蒸式、薄膜竖管式、浸管式等，其中多级闪蒸式蒸馏法无论其装置数量还是其造水能力均居首位。据1977年统计结果，多级闪蒸法装置，占整个蒸馏法装置的45%，造水能力占84%。(www.xing528.com)

目前，太阳能蒸馏技术已可分为直接法和间接法。直接法是太阳能直接作用于海水而立刻蒸发的方法。1982年日本冲绳建造了这样的一套装置。它的受热面积为2.97平方米，日产水量为100升，是太阳能蒸馏的一次重大突破。间接法就是把太阳能收集起来，然后再为其他的海水淡化的办法提供能源。这种方法通常与其他的办法联合使用，或者以热能的方式对海水进行蒸馏，或者利用太阳能发电，供给用电的海水淡化装置使用。

到目前为止，利用太阳能进行海水淡化的技术，所得到的淡水成本仍然比较高，主要的问题在于太阳能利用设备的投资比较大。

电渗析法为了说明它的原理，先介绍离子交换膜。离子交换膜分阳离子交换膜和阴离子交换膜两种(以下简称阳膜、阴膜)。阳膜表面带负电荷，阴膜表面带正电荷。根据同性相斥、异性相吸的原理，带负电荷的阳膜的表面排斥阴离子，而让阳离子通过;带正电荷的阴膜则恰恰相反。如果我们将阴、阳离子交换膜交替地排列成多室电渗槽，并在膜组两端配置阴、阳电极，阳极一侧以阴离子交换膜开始，阴极一侧以阳离子交换膜终止，当海水通入后，在膜组两端加上直流电压。这样，海水中的阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移。由于离子交换膜对离子有选择透过的性质，那么，海水中的钠离子和氯离子作为盐溶液从膜间室中流出，脱盐的淡水也通过专门的管道流出。

这种方法关键取决于膜的发展状况。离子交换膜有的用空心纤维，有的用塑料，目前投入使用和正在研制的膜有几十种。中国从20世纪50年代就开展了对电渗析和离子交换膜的研究。目前，生产的离子交换膜质量指标接近世界先进水平，已生产出各种类型和大小不同的电渗析淡化器，全国己有400多个单位广泛使用。国家海洋局第二海洋研究所1981年研制的中国最大的电渗析淡化器，每天产淡水200吨。该装置已在中国西沙群岛投入使用，其淡化的水质符合国家规定的饮水标准，生产成本只有用水船运水成本的1/5。

反渗透法这是50年代为淡化海水而提出来的一种膜分离方法。60年代由于研制出了高通量、高脱盐率的不对称醋酸纤维素膜，使反渗透法达到了工业应用程度。要弄清什么是反渗透还得先从渗透说起。把淡水和盐水分别置于一张半透膜两侧，这种半透膜只允许水分子通过，而不允许其他分子通过，盐分子也不例外。在正常条件下，淡水就穿过半透膜向盐水一侧流动，这就是渗透。在渗透的过程中，盐水液面逐渐升高，压力逐渐加大，淡水液面则逐渐降低，压力逐渐减小，这种现象一直要持续到盐水侧的压力比淡水侧的压力高到一定程度为止。这时，由于盐水侧的压力很高，淡水侧的水分子已无力渗透过去，只得作罢。这时两边的压力差就是所谓的渗透压。

如果在盐水的液面上施加一个比渗透压还大的压力，结果会怎么样呢?无疑，盐水中的水分子将向相反方向，即向淡水一侧流动，以致使淡水液面高出盐水液面。这就是反渗透。用这种原理淡化海水的方法叫反渗透法。这种方法工艺流程简单，耗能很少，虽然1953年才问世，却已受到普遍的重视。在沙特阿拉伯，也有这种类型的海水淡化厂。

反渗透膜是反渗透淡化器的心脏，目前，主要有醋酸纤维素及其衍生物膜、芳香聚酰胺膜及其他有机无机材料膜等。随着反渗透膜的发展，现今反渗透淡化装置主要有四种类型:板式、管式、螺旋卷式、空心纤维式。这四种装置中，螺旋卷式和空心纤维式装置单位体积产水量较多，适于建造大规模装置;其次是管式装置，发展也很快。一个大型的反渗透海水淡化厂，要安装很多个这样的膜卷。像美国为沙特阿拉伯吉达港建成的反渗透海水淡化厂，共安装了4032个膜卷，日产淡水1.2万多吨。到1980年6月，世界上日产95吨以上淡水的反渗透淡化装置就有929个，日产淡水约148万吨。当今美国和日本海水淡化研究的重点是发展反渗透法。相信不久的将来，反渗透法有可能与蒸馏法相媲美。