海水淡化重大突破：治海淡 反滲透不是好藥方
浩瀚的大海一望無際。我問：“君雖海量，不無病乎?碧波萬頃，然無一瓢可飲也。”
大；卮鹫f：我沒有毛病。你走近看看，最好到海水里面看看。你不過是看到一些自由自在也是成雙成對的帶負電荷的陰離子、帶正電荷的陽離子在一刻不停地晃晃蕩蕩，平均總含量不過是差不多每99個我水分子或離子中才1個鹽分子或離子，或者體積上看，100份的水中只有1.5份的鹽體積，或者重量上也就是3.5%的鹽。所謂一粒老鼠屎壞了一鍋粥，一個鹽分子壞了我九十九個水分子。本來也是很容易不費錢的事情，用勺子摳出那粒老鼠屎，一鍋粥也還能將就，用勺子摳出那個鹽分子，一切都好。但大家不是這么簡簡單單科學地干的，而是干的很有技術含量，找來一張巨大的紗布，配上宏偉漂亮的機器設備，高大上耗電極多的壓力泵，活生生的硬是把99份的稀粥壓過紗布，把99個水分子壓過反滲透膜，留下一粒大老鼠屎、一個鹽分子。能不累、能不成本高?也好比99個黃豆中有一粒比黃豆還大的砂子，不是揀出砂子，而是揀出黃豆，其功夫不可謂不大啊。當然，找不到一把合適的勺子或揀砂子的工具，是這么累著干費錢費功夫干的根本原因。
海水中的這些陰離子大部分是氯離子，少量的硫酸根離子、碳酸根離子、溴離子和氟離子，陽離子則主要的是鈉、鎂、鈣、鉀和鍶離子。其中的氯離子、鈉離子還是人類天天需要食用的食鹽。如果你有能耐，你還可以從我這里得到無窮盡的鉀肥、鎂金屬，要知道，中國是一個典型的缺鉀肥的國家，而鎂金屬比鋁還輕巧，其作用比鋁合金也毫不遜色。
要想喝淡水，只不過是請出這1%個數的陰陽離子而已，溫柔點最好。就這么點含量，與人類工業污染的含無機鹽廢水的污染程度相比幾乎是可忽略不計了。但現實是，海水淡化是如此的高大上，動用了巨大的國家資源，吸引了無數英雄豪杰，從英國人開始，一晃已經400多年了。
早些年，煮水論英雄，也是可以理解的。水沸騰了，強迫水分子和鹽分子說再見，但代價也是巨大的，大量的熱能被消耗了，不到萬不得已，傻瓜才會這么干。后來，1930年代發現了只透過水不透過鹽的半透膜，1953年美國人開始利用這種膜在高水壓下，強行的也是惡狠狠的把水分子和鹽分子分開在了膜的兩邊，就是所謂的反滲透海水淡化技術。再后來的60年時間里，反滲透成了一種淡化海水的習慣，這種技術幾乎發展到了極致，但仍然需4度電左右換取一噸淡水。因為泥巴燒不著，所以能源在地球上還是稀有資源。這種用一種稀有資源換取另外一種稀缺資源的做法，肯定不是長久之計，也不合天理。因為技術慣性和知識框架的效應，最聰明的人繼續幻想著如何更高效地讓水分子透過膜，現在最玄幻的石墨烯、二硫化鉬也被用來嘗試作為滲透膜了。但無論如何，因為含鹽水和淡水之間永遠存在的滲透壓，就是自然狀態下，淡水在半透膜的一側可以幫著膜對面的海水爬到250米高的摩天大樓上，這之間的壓力就有25個大氣壓了。就算作為半透膜的反滲透膜本身沒有任何阻力，也需要大于25個大氣壓的壓力，才能強迫海水中的水分子脫離海水中鹽的束縛進入淡水中。因為反滲透膜需要承受高水壓，所以，其厚度不能太薄，無論如何，都需要能量讓99%的水分子透過一個有厚度的膜【假如100%地海水淡化】。代價真的慘不忍睹，所謂望洋只能常常興嘆。
說來遺憾，自從1950年代有了可工業化應用的離子交換膜技術后，只是主要地用在了用電驅動的電滲析領域，比如離子膜法燒堿的生產，以及少量的用在了用濃度差驅動的擴散滲析領域，比如廢酸、廢堿的回收。本來，海水中的異物不過是些也有用也有價值的離子，況且數量也不是很多，按個數論，只有~1%。利用離子膜交換技術，依據等價交換原則，一種物質的正電離子和另外一種物質的正電離子，一個負電離子和另外一種負電離子在膜的兩側互相交換贖買，不動刀槍，海水淡化就不是像現在這樣的暴力強迫水分子和鹽分子互相拆散的行為，所謂殺敵一千自損幾百了，而是文明的離子間的以物易物的文明交易行為。通過濃度差驅動的，也不是很費勁的離子膜交換，讓海水里原來舒舒服服賴著不走的那些懶漢離子替換為喜歡離開水分子出來走走逛逛的陰陽離子。在元素周期表里，為了徹底地解決海水淡化問題，讓海水成為大眾的寶物，上蒼恰恰給我們準備了一套唯一的一陰一陽兩個離子。當他們陰陽交會之時，就是雙飛之刻，留下淡淡的海水。
俄國化學家門捷列夫于1869年就發明了元素周期表，如何這兩個陰陽離子一直就沒有走出來顯擺?一方面，這兩個陰陽離子其實是排在元素周期表的背面的，只有翻過周期表才能看的到的，好比照鏡子，需要看到鏡子后面的影像。他們分別是由一個氮原子和4個氫原子所組成的銨離子，和由一個碳原子和3個氧原子組成的碳酸根離子。另一方面，還是因為離子交換膜多事，人造的東西，總是不完美的。比方說陽離子交換膜，它只讓帶正電的陽離子來回通過它滿身的細小孔洞，這個事情做的很出色，很少有差錯。為了適應目前電滲析方面的需要，陽離子膜生出來的時候大多數本身是強酸性的，雖然也有弱酸性的，不酸不堿中性的姐妹，強酸性強大到使其孔洞附近的水分子發生水解離成為氫陽離子和氫氧根陰離子。隨之而來的問題是，當濃濃的銨離子發起進攻，準備透過陽離子膜與對面海水中為數并不多的陽離子進行交換時，銨離子首先碰到的是已經在膜孔洞中守株待兔的氫離子和氫氧根離子，并且氫離子和銨離子即刻進行位置交換，頓時使銨離子失去和海水中陽離子如鈉、鉀離子的交換能力。接下來更慘，銨陽離子還會被氫氧根陰離子所吸引，轉化為氫氧化銨分子，氫氧化銨在水里憋不住，幾經掙扎，一部分就分解成為水和臭臭的由一個氮原子和3個氫原子組成的氨氣。也算是由多原子組合而成的離子所具有的一種缺陷，條件談不好，可以自行分解而罷工。站在膜的旁邊，你會發現，這根本就不是什么海水淡化，而是銨離子的自殺，留下了氫離子，冒出氨臭，和處在一間比較正規的廁所里的味道差不多。不排除這么些年來，也有人嘗試過這樣的海水淡化，但結果都是和進了一趟廁所一般，也就放棄了。現在，既然知道了這些來龍去脈，采用弱酸性或中性的陽離子膜，或者將銨離子放在堿性的溶液中，膜的孔洞中氫離子幾乎絕跡，銨離子也就比較老實，去干正經的海水淡化的事情了。也許，這就是傳說中的摳出鹽分子的勺子和工具了。也是解決含酸、堿、鹽類工業無機廢水的一個有效的工具。
如果把海水淡化的困難看成是一種病，其病根應該是且僅僅是海水中的那一點點的鹽不揮發也不沉淀，死皮賴臉的賴在水里，治這個病，現在是可能開錯了反滲透這個藥方了。好比從中國到印度，非得爬過喜馬拉雅山的方法就是有病的了。錯誤的方法導致了一系列的后遺癥，如淡化后的水質偏酸性需要調制，高能耗，一半的濃鹽水排放喂魚也害死魚，需要能量回收裝置增加了系統的復雜性，高壓下膜易污染，高壓泵難制造問題。而通過離子交換膜技術，通過等價交換，常溫常壓不用電滲析，輕松低能耗地讓濃碳酸銨溶液中的銨陽離子與海水中的陽離子互換，碳酸根陰離子與海水中的陰離子互換，在不知不覺中，海水即轉變為只含1%的揮發性的碳酸銨分子，相當于是把躲在99粒黃豆中的那粒砂子變成了一只更大的會飛的氣球了。海水淡化也就轉變成為簡單的減壓或催化揮發析出僅僅1%碳酸銨分子的問題，與滲透法透過99%的海水分子相比，能耗必然低的多，同時，海水中的礦物質自然地得到濃縮，方便后續的結晶提取，產生大量有價值的副產品。另外，其中的濃溶液碳酸銨可以一直不停地循環往復回收再用，沒有浪費和理論消耗，如同電冰箱里的氟利昂，循環工作。由此，海水淡化將成為一個可盈利可創造社會財富的好事。
站在海水的角度，其實當前的海水淡化研究并非真正在海水，而是限定在淡化的設備方面了，比如，優化反滲透膜，尋找合適的正滲透膜，完善能量回收系統，制造高壓泵等等，全然都是設備制造了，和海水本身并無多少直接的關系。正確的理解應該是，海水淡化本質的難點是且僅僅是其中的鹽分不揮發不沉淀。以此為基礎，通過先將海水進行變性成為只含揮發性的碳酸銨，再進行脫除碳酸銨【即二步法脫鹽技術】達到低成本且可回收其中的資源的目的。正所謂，換個角度，風景全然是不同的了。
有了水，再談談水的問題。環境問題中水的問題是最大的問題，如果海水淡化過程可以低成本的進行，同時低成本的提取其中的鉀鹽作為鉀肥，鎂金屬作為類似鋁合金的基礎材料，那么海水淡化就成為一個可稱之為海水提煉的新興行業，其本身就是一個可盈利可支撐社會經濟發展的行業，不會成為一個因為飲用水問題而不得已為之并行補貼的公共工程了。另外，離子交換法海水淡化，沒有反滲透海水淡化中的淡水酸化問題，所以可以直接進入自來水管網，因為是盈利的，其價格比當前的自來水價格更有競爭力，客觀上，為解決自來水水質提供了一個最簡單的技術選擇，也是因為海水淡化是盈利的過程，淡化的海水還可以滿足農業灌溉，工業生產的使用，為干旱鹽堿化的有毒的土地的修復提供條件。
如果碳酸銨離子交換膜法淡化海水是可行的話，那么海水就將成為可為社會創造財富的資源，世界肯定會有所不同，也會變得更好，如果這個技術有問題的話【目前都還沒發現有理論或技術問題】，那么問題是什么也是值得學術界和工業界研究的，也許沿此方向或類似方向，終究可以找到一條可盈利的海水淡化方法，突破現有技術框架，為將海水轉化為一種真正的可創造財富的資源提供技術方法。
大道至簡，海水淡化、海水提煉終究一定應該有一種簡便易行的辦法。面對地球上最大的資源-海水資源，人類沒有理由不能夠充分駕馭利用海水、海水中的礦產資源，從最早的煮水蒸餾，到復雜的滲透制水，再到今天簡單的離子交換海水改性后淡化，應該是一個必然的過程。也或許、也期待會有更簡潔的方法。
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