如今，缺水是个全球性的问题，而且随着社会的发展还会加剧。陆地淡水资源是有限度的，向大海要水是人类不得不进行的无奈之举。从本质上来讲，海水淡化是以能源换水源，因为这个过程是个熵减的过程，因此，海水淡化技术就是根据科学的原理，以最少的能源消耗获取最大量的淡水。因为，能源危机也像水危机一样威胁着人类的发展。
40多年前，时任美国总统的肯尼迪就说道：“如果我们能以低成本从海水中提炼出淡水，那将对人类功莫大焉，任何其他科学成就都难以与之媲美。”近几十年来，海水淡化技术发展很快，特别是地处沿海的缺水城市，淡化海水成为缓解缺水问题的重要选择。在沙特阿拉伯，海水淡化产能达到每日700万吨，已经占到全国用水量的70%。我国青岛市也是严重缺水的城市之一，目前正在加紧发展海水淡化工程，计划到2010年海水淡化的规模将达到每天18万～20万吨，到2020年海水淡化规模将达到每天35万～40万吨。
实际上，陆地上的淡水都来自海洋，自然界本身就有淡化海水的能力。海洋吸收了来自太阳的能量，海水蒸发，蒸发到空中的水汽是由纯净的水分子构成的，水汽凝结成雨雪，降落到地面就成了我们赖以生存的淡水。
我们都有煮饭的经验，无论锅里煮的是什么，打开锅盖你都会发现锅盖上附着一些水珠，把这些水珠收集起来就是纯净的淡水。看来，要把海水变为淡水并不是一件很难的事情。的确如此，要从海水中获得一点淡水很容易，难就难在如何用最少的能量从海水中获得足够用的淡水。
用科学的术语来说，海水是一种溶液，是经过数亿年时间，雨水反复冲刷陆地，把岩石中的矿物质带到海洋中形成的，这个过程至今仍在进行。现在海水的成分中，96.5%是水，3.5%是盐分。盐分中氯化钠（NaCl）含量最多，占77.9%；余下的依次为氯化镁(MgCl2)、硫酸镁(MgSO4)、硫酸钙(CaSO4)、氯化钾(KCl)和少量其他物质，这类物质所占比例都低于10%。这样一“锅”混合物的汤，让人类无法消受。
因为海水是溶液，所以溶入海水中的物质大多以离子的状态存在。要想使水分子与其中的物质分离开，就要根据海水的性质，使用有针对性的方法来处理。通过人们的不断研究，除了最简单、最直接的蒸馏法之外，科学家还发明了反渗透法、电渗析法和冷冻法等。
蒸馏:让水分子跳出来
在常压下，水的沸点是100℃，但海水中有溶质的作用，沸点会略微升高（有资料认为是100.56℃）。这是因为水是极性分子，会被大量地吸附在离子周围，这种结合能比水分子之间的结合能要高，因而单个水分子需要更高的能量才能从水中脱离出去。当然把海水加热到沸腾是很容易的事，因而最早的海水淡化就是把海水加热蒸发，得到水蒸气，然后让水蒸气冷凝下来，就能得到淡水。
蒸馏法是最原始的用能源换淡水的方法，大约蒙昧时代的人类就知道了这种方法，但起初并没有切实的需要，直到17世纪，航海的发展，使得蒸馏法海水淡化技术得到了发展。甲午海战时，北洋水师的“致远号”巡洋舰上就装有海水淡化装置。
淡水装置最先被安放到了船上，是因为船常常要长期在海上行驶，很需要淡水的补给。而且，过去的蒸汽船里，发动机能产生很多废热，这些废热刚好可以用来蒸发海水得到淡水，很自然地，很多古老的军舰和商船中都装上了这类海水淡化装置。
最早把船上的海水淡化装置搬上陆地的是中东和地中海沿岸的国家。最初，他们利用小规模的蒸馏法来产生淡水，能源利用率很低，幸亏那时还没有能源危机的压力。大规模的海水淡化生产，始于第二次世界大战时期。
二战期间，盟军为了给海上的军事基地提供淡水，开始大规模使用蒸馏的办法来制备淡水。但工程师们很快就发现，他们把这项技术想象得过于简单了。在高温下，随着水的不断蒸发，海水中的溶质也逐渐析离出来，形成水垢，就如我们烧开水时水壶中往往会结一层水垢一样。大规模利用海水蒸发来制备淡水时，水垢的沉积非常严重。这些水垢的沉积，在当时造成了数起爆炸事件。水垢成为高温蒸馏法的杀手。
科学家们曾经一度对海水结垢的问题很是头疼，直到有人意识到，如果能想办法让蒸发时的温度降低一些，也许可以防止海水结垢。
时间大约到了1959年，英国的一位西尔弗（Silver）博士最先想到了一个相当于现在“闪蒸”的做法：他让加过热却尚未沸腾的海水从一根管子里流过，在管外的某个地方，压强被降下来。低压下，海水的沸点降低了，刚才的温水在低压下变成了过热海水，蒸发便开始了。在这个过程中，海水被急速汽化，所以也叫“闪蒸”。
闪蒸的优势有两个：温度不太高，结垢就不容易出现；水垢的沉淀不发生在传热表面，安全性和稳定性就好了很多。然后，只要把收集到的蒸汽输送到其他地方，冷凝下来，我们就能得到淡水了。
闪蒸法的诞生可谓适逢其时，人们刚好在中东找到了大量的石油，石油的开发需要水资源的支撑，中东地区开始大量上马利用减压进行海水淡化的闪蒸设备。
闪蒸法更稳定更安全，在很长一段时间内，人们对它的表现都非常满意，直到上世纪70年代，第一次石油危机时期，大家开始意识到，闪蒸海水获得淡水的办法，能源利用效率其实相当不理想。
闪蒸时，海水几乎不会在加热器表面结垢，但这种方法带来了一个新的问题：管道里的水要维持一定的流速，这样，不但加热需要一定的能量，泵水的动力也消耗很大。当时，大约每吨水需要4度电的动力，这种消耗在能源日渐紧张的背景下，就显得越来越让人难以接受了。那么，有没有一种既安全、稳定，又节省能源的办法呢？
低温多效的方法诞生于以色列这个典型的干旱国家。以色列国土面积的2/3都是沙漠，地表河流很少，降雨量又很低，每年的蒸发量大于降雨量。那里有地下水，却多是高盐度的苦咸水。缺水以及咸水比例大的现实，逼迫以色列加紧了自己在海水淡化方面的研究进程。
为了寻找一种更加节省能源的方法，以色列人做了很多比较基础的研究。他们发现海水的结垢程度主要与两个因素有关：一个是海水的温度，另一个是海水的含盐量。于是，除了把海水温度控制在70℃以内，他们还控制了整个过程里海水的含盐量，把工序最后的浓盐水中的含盐量控制在7%以内。这样，海水中的硫酸钙就不容易析出来。硫酸钙是海水淡化中最令人头疼的结垢物之一，它结垢后既不溶于酸，又不溶于碱，且与换热器的结合非常牢固，难以去除。当时，阻止海水结垢的化学阻垢剂也有了很大的进步。在这些技术的基础上，以色列人发展出了一种叫做“低温多效蒸馏”的新办法。
低温多效的方法很适合与火力发电厂结合，利用电厂的低压蒸汽余热作为蒸馏淡化的热源，从而显著降低了蒸馏法海水淡化的成本，还成功地解决了多级闪蒸时动力消耗较高的难题。利用低温多效方法生产1吨水耗电量不到多级闪蒸法的一半。然而，这项明显节省能源的技术在推广时却又碰到了难题。由于海水淡化设备最大消费国都在中东，而因为宗教和政治的原因，大部分中东国家都比较抵制以色列的产品。直到法国的某家公司也造出了报价偏高的类似设备，中东地区才开始采用这种方法。
对低温多效蒸馏法进行的研究，不仅带来了低温多效法本身，还带来了大量很有价值的副产品。当时，根据硫酸钙的溶解度随温度变化的曲线图，得到了一个结论：温度超过70℃，含盐量超过7%，硫酸钙就容易析出。这个结论在海水淡化领域具有相当重要的意义，我们今天使用的各种海水淡化方法，通常都是把浓度3.5%的海水变成浓度为7%的浓盐水排走，每千克海水的淡水产量在500克左右。
低温多效海水淡化仍属于蒸馏法技术，但精巧的设计使得能源消耗有了显著降低。
反渗透：用膜来筛选出水分子
从最普通的蒸馏到多效闪蒸，都属于“热法”，也就是将海水变成蒸汽，由蒸汽冷却而得到高纯度的淡水。除了加热，人类还在积极地寻找着海水淡化的其他办法。
反渗透法是一种相对“年轻”的海水淡化方法，大约上世纪60年代末，反渗透法在海水淡化领域开始商业化。此后，因为能耗低，而且安全稳定，这位后起之秀的发展非常迅速。今天，它已经在世界海水淡化市场占有了约50%的份额，而且新装置的装机容量逐年增加，越来越大型化。为了更好地理解这种反渗透的方法，首先要从渗透讲起。
渗透的英文名Osmosis一词来源于希腊文osmos，指的是一种推动力。1748年，A.诺莱对渗透现象进行了研究，并首次作了实验记录，发现用膀胱把水和酒精隔开后，水可以通过膀胱膜进入酒精而酒精不能入水。
……
（更多精彩图片及完整内容请阅览《科学世界》2007年3月号）
