地球——我們圓滾滾、水汪汪的蔚藍色家園，是因其71%表面積由海洋所覆蓋，使地球形成了如今的樣貌。同時，海水的儲量約為1.3×109億噸，約佔地球所有水資源總量的97.4%。瞧瞧這些數字，明明有那麼多水量，為什麼依然存在用水困難的現象呢？
圖1 水資源示意圖 （圖片來自網絡）
因為海水中具有極高的鹽含量，如果長期飲用，不僅越喝越渴，還可能導致脫水死亡。因此嚴格來說，人類與非海洋生物只能共同享有地球總水量僅2.6%的淡水資源。並且在這僅存無幾的淡水資源中，絕大多數還是難以利用的冰川水。然而相對易於開發利用的河流水、湖泊淡水和淺層地下水等又經常受到水汙染的影響。因此，真正可供我們日常生活使用的水資源十分稀少。
那麼面對龐大的海水資源，除了“望洋興嘆”，我們還可以做點什麼呢？答案就是將海水中的鹽分趕走，海水就可以像淡水一樣為我們所用。
在這方面，我們可得向海生動物取經。人無法直接依靠鹽水生存，而它們是如何在海水中遨遊生活的呢？這是因為海龜、海水魚等海生動物能利用自己身體上的細胞半滲透黏膜來脫鹽淡化海水，它們身體的口腔膜、內腔膜和表皮膜等細胞膜都是“海水淡化器”。它們喝進海水後，首先在口腔內通過吸氣不斷增壓，壓力差使一部分水滲過黏膜進入機體內。而大部分鹽則被阻隔在口腔內，可隨水流經鰓裂或排洩道排到體外。
圖2 海水魚的水鹽平衡 （圖片來自網絡）
受到此機制的啟發，科學家們研製出反滲透海水脫鹽淡化裝置。其中一個關鍵的材料便是對物質通過具有選擇性功能的半透膜。海水淡化所應用的半透膜允許水分子通過，但不允許離子（例如Na+，Mg2+，Cl-等）或較大分子（例如葡萄糖，尿素等）通過。這樣在海水淡化的同時，也起到了水質淨化的作用。
當位於半透膜兩側的水溶液濃度不同時，在濃度梯度的作用下，低濃度溶液中的水會自發地通過半透膜滲透到高濃度溶液一側，這便是滲透過程。此時，兩側液麵開始產生高度差，液麵高度差產生的壓力會阻礙滲透過程的進行。當高濃度溶液一側的液麵不再升高，兩側溶液達到滲透平衡，此時高度差產生的額外壓力便是滲透壓。
如果對海水施加大於滲透壓的外加壓力，此時海水中水分會反向通過滲透膜，而鹽分則被半透膜阻隔無法通過。通過這個反滲透過程，半透膜的另一側便能收集到淡化的海水。半透膜對鹽的截留率可達到98%以上，我國的第一座反滲透海水淡化工程是1985年1月16日在西沙群島永興島建成的，產淡化水可以達到兩百噸。
圖3 滲透與反滲透原理 （圖片來自網絡）
但是，如果你不幸漂流到大海中的無人島上，科學家的裝置似乎對你來說有點不切實際，此時若想喝到淡水也並非沒有辦法。早在四百多年前，歐洲的航海家就利用火爐煮沸海水，上行的水蒸氣遇溫度較低的蓋子後，冷凝成水滴收集飲用，這就是簡易的蒸餾法。
圖4 簡易蒸餾法裝置 （圖片來自網絡）
要是更加不走運，你在戶外既沒有火源也沒有鍋，難道就只能下輩子見了嗎？彆氣餒！材料學家們的最新研究成果將使孤身無助的漂流者絕處逢生！
受到秸稈根莖的輸水功能和蒸騰作用啟發，科學家們設計出基於全生物質的太陽能蒸汽發生裝置：稻草的下部莖杆用作水泵，從海島的土壤或者海水中吸取水分向上端輸送；利用碳化的稻草和細菌纖維素的複合物製備了具有高機械強度的親水性光熱膜，可在太陽光作用下蒸餾得到運送上來的水分。水稻是三大糧食作物之一，與其他穀類作物（小麥510、玉米370、高粱320）相比，具有更高的蒸騰係數（∼680），說明水稻具有優越的莖稈輸水能力。水稻莖稈的螺旋狀宏觀結構和層次結構/納米結構使其具有突出的抽水能力。全生物質太陽能蒸汽發生裝置在1kW·m-2的光照下，產生淨水效率可達到1.2kg·m-2h-1。特別是，水稻太陽能不受多種含水介質（如沙子、土壤和海水）的影響，以穩定的蒸發性能收集乾淨的水。經計算，裝置在晴天的日淨水量為6.4–7.9 kg·m-2，陰天為4.6–5.6 kg·m-2。這樣的設計將“農耕廢料”轉化為 “生命養料”，充分體現環境友好和資源再利用的優勢。僅僅使用天然裝置就可助你獲得淡水，不需要其他形式的能量，也不帶來二次汙染。如此一來，你就可以一邊曬著太陽，一邊淡定地喝著新鮮蒸餾的淡水了！孤島度假將不再是夢！
圖5 基於全生物質的太陽能蒸汽發生裝置
隨著海水淡化技術的不斷髮展，我們不再只能“望洋興嘆”，希望我們能早日實現“用水自由”。
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來源：中國科學院上海硅酸鹽研究所
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本書為國家自然科學基金委員會工程與材料科學部組織出版的無機非金屬材料學科發展戰略研究報告。根據工程與材料科學部的統一部署，本書從學科的國際發展趨勢和國家重大需求出發，論述無機非金屬學科的總體發展戰略，提出10個優先發展領域：新能源材料、功能晶體、低維碳及二維材料、新型功能材料、先進結構材料、無機非金屬材料製備科學與技術、無機非金屬材料科學基礎、傳統無機非金屬材料的節能環保與可持續發展、信息功能材料與器件、生物醫用材料，並介紹上述各領域的內涵與研究範圍，科學意義與國家戰略需求，研究現狀、存在問題與發展趨勢分析，發展目標，未來5～10年研究前沿與重大科學問題，未來5～10年優先研究方向。
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本期編輯丨王芳
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