海水淡化：无奈的选择
严重干旱迫使研究人员们不得不重新考虑如何利用科技来为人类提供更多的淡水。
在饱受干旱折磨的加利福尼亚州，圣地亚哥的情况是最为糟糕的。它的降水量甚至少于炎热的洛杉矶或弗雷斯诺，地下水储量低于加利福尼亚州的其他地区，超过８０%的生活及商业用水依赖外部输入，而水的来源日益紧张。人们对科罗拉多河的过度取水使其几近干涸，州政府今年从北部400英里外的萨克拉门托河三角洲调水配给圣地亚哥，削减了加利福尼亚中央谷地区农场主们的灌溉用水。将来世界上会有许多地区会像现在的圣地亚哥县一样：炎热，干旱，人口持续增长。县政府最近决定：投资１０亿美元建立西半球最大的海水淡化工厂。
这项位于卡尔斯巴德的大项目有近５００人参与建设，预计明年完工，投产后每日可处理１亿加仑的太平洋海水，生产出５４００万加仑可饮用淡水。虽然这只能满足该县用水需求的１０%，但仍是一种重要而可靠的抗击干旱的手段，有助于防止情况进一步恶化。
圣地亚哥寄希望于将现代工程技术与使用了几十年的脱盐技术相结合来实现海水淡化。在地下修建一条通向附近水塘的管沟；在１８个房子大小的混凝土水池中装满沙子和木炭，对海水进行脱盐前的处理；加压装置与一条直径一米的不锈钢管道连接。通过这条闪闪发光的管道利用高压将水输送入2000个玻璃纤维管，在这些纤维管中，水流通过高分子半透膜进行过滤，将盐水阻隔，得到淡水。
这就是反渗透法（ＲＯ），是全世界大型脱盐设施广泛采用的一种方法。在压力的作用下，水分子可以通过高分子膜，而盐和其他无机杂质则不能通过。自2000年以来，全球海水淡化产量增长了三倍：全球有16000家工厂成立并运行，随着技术的发展，工厂数量有望继续增加。例如，卡尔斯巴德已经配备了最新技术的商用薄膜和先进的压力恢复系统，但工厂的建设成本和运行成本仍高居不下。
事实上，海水淡化的成本十分高昂。根据实地情况，每英亩－英尺水（两个美国五口之家的每年用水量）的售价在1000美元至2500美元之间。在卡尔斯巴德，这一价格为2500美元左右，比从其他地区购买处理过的水高出80%以上。其中的一个原因就是，使水通过薄膜需要大量的能量。与大部分海水淡化工厂一样，卡尔斯巴德工厂拥有备用的水泵和薄膜管以及超强处理能力，这是为了更好的保证工厂正常运行。
“这个工厂对于圣地亚哥来说太重要了，为了保证稳定运行，工厂配备了大量的备用设备，”工厂的所有者、波塞冬水务公司（Poseidon Water）的副总裁乔纳森·洛弗兰德说，“如果有哪个部件发生了故障，备用部件会立即接替它的工作。”
目前，全世界有大约7亿人口遭受水荒之苦，而十年之后这一数字将达到18亿。现在有一些国家，如以色列，已经严重依赖海水淡化；将来会有更多国家发生这种状况。
在许多地区，“已经达到再生水资源的极限，但人口还在不断增长，”机械工程师、麻省理工大学的清洁水与清洁能源中心主任约翰·立恩哈德说，“而且全球变暖使得很多地区的气候更为炎热、干旱，这将进一步减少可利用再生水资源的数量。”
虽然节约和循环使用会对水资源起到保护作用，但是巧妇难为无米之炊，没有水何谈再利用？“随着沿海城市的发展，”他说，“海水淡化将愈发重要起来，而且很有可能得到广泛应用。”
但好消息是，海水淡化在技术上得到了很大改进。使用传感器优化配置、自动化操作、再加上新型薄膜的使用最终可以使淡化工厂的规模缩小一倍，能源消耗也减少一倍。因此，可在远离海洋几百英里之外需水量较大的农业区使用小型流动淡化装置。
聪明的水
加利福尼亚大学水技术研究中心的负责人、化学工程师约拉姆·科恩（Yoram Cohen）每隔两个星期就会去一次干旱肆虐的圣华金河谷。那是加利福尼亚州中部的一片广阔农业区，是美国的重要粮食产区，正遭受着严重干旱的袭击。去年，也就是2014年，是那里连续干旱的第三年，对于水的需求达到了历史最高值。
不久前，我和科恩去了一次圣华金谷：我们从他位于ＵＣＬＡ的实验室驱车来到法尔博（Firebaugh）谷镇，这是加利福尼亚州干旱最为严重的地区之一。沿着连接加利福尼亚南部海滨城市与中央谷的高速公路，我们看到了大量修建于上世纪五十年代的水利工程，其中包括四个穿过特哈查比山脉（TehachapiMountains）的大型管道系统和以混凝土为内衬的加利福尼亚沟渠，沟渠在谷底形成蜿蜒曲折的蛇形轨迹。
加利福尼亚的水利系统大约有80%为农业提供服务，有２０%为城市提供服务，现在仍然使用水泵将水从萨克拉门托河三角洲通过444英里长的加利福尼亚沟渠输送到各地。正是这些水利设施造就了今天的加利福尼亚州。
加利福尼亚的水利系统承担着巨大的供水负荷，由于持续缺乏降水，加利福尼亚州８０%的地区正处于“极度”或“罕见”干旱，因此不得不限制城镇用水，并削减农业用水。干旱所造成的后果随处可见：由于缺水干涸而被废弃的农田；路标上写着“严重干旱”字样的警示语；所有迹象都在告诉人们“水＝工作”。根据加利福尼亚大学戴维斯最近进行的一项调查，仅2014年一年，干旱造成的农业损失就达15亿美元。
出生于以色列的科恩告诉我，尽管缺水形势严峻，海水淡化技术自从上世纪八十所代以来却未有根本性改变。大项目的规划时间过长（卡尔斯巴德用了１４年），这很难使投资者们认为可以通过新技术获得丰厚回报，而且美国政府将研究资金优先投入到了其他方面。此外，通过循环利用或节约用水也可能解决缺水难题，这就使造价高昂的海水淡化显得不那么重要。科恩还说，从另一方面来说，海水淡化正朝着信号传感、自动化和算法控制程序转变，而正是这些技术使其他产业发生了翻天覆地的变化。接下来我就见证了他所说的。
落日的余辉在崎岖的路面上投下长长的影子。我们的车子驶下高速公路，又行驶了九英里以后，向右拐入一条两侧种满阿月浑子树的小巷。天色渐暗，车灯射出光柱消失在茫茫的沙漠中。当我打开车窗时，一股好似海水气味的盐咸气息扑面而来。在车灯的照射下，我发现了原因所在：从一条管道向外喷出循环使用的农业用水。这些水原本是源自萨拉门托三角洲的淡水，在沟渠系统中由于蒸发浓度越来越大，而且在浇灌庄稼时收集了土壤中的矿物质，然后又将这些矿物质随灌溉施予农作物。这些水现在就像海水一样咸，含有多种矿物质和化肥。
科恩带我来一架拖车附近，拖车里住着两个研究生，车里设有水箱、管道、阀门、软管和计算机。这是一个全自动系统，可以处理含盐污水或法尔博农民产生的污水，每天可产出30000加仑的可饮用水。
计算机屏幕上显示的实时黑白图像看起来就像月球上的景象，这是拍摄自处理工序的核心——聚酰胺膜的图像。图像中的几处白色区域表示有矿物质结垢，这对于渗透膜来说是个灾难。图像分析软件可监测到结垢的发生，然后程序将阀门打开，向系统中加入防垢剂，由此解决结垢问题。系统中的其他传感器和控制装置可以提高系统的性能，通过改变压力或改变预处理中化学添加剂的用量来防止其他污垢问题的产生。
虽然还只是在建设中，加利福尼亚州卡尔斯巴德的海水淡化工厂将会是美国最大的海水淡化设施。这些等待安装的设备是包裹在聚酯薄膜中的涡轮泵，用于泵送洁净水。
科恩来到一根塑料管前，拧开一个水龙头。干净的水流了出来，他用手捧住一些水，喝了一小口，将其余的水擦到脸上。“如果我们能够制造出不需要人驾驶的汽车，为什么不能建造出不需要人操作的ＲＯ工厂呢？”
这样的工厂可以节省巨大成本：这种自动运行系统与传统的海水淡化工厂相比可节省三分之一至一半的成本，科恩说道。不仅如此，拖车大小的处理系统能在不同地点和不同条件下按小时使用，可随处移动，无论农民在何地有需要都可以帮助他们获得淡水。
神奇的薄膜
虽然水处理系统越来越智能，但反渗透技术仍然是一种极其耗能的技术。卡尔斯巴德每年消耗的电量将超过35兆瓦（可供3000户家庭使用的电量），约合３千万美元。其中的三分之二电量将用于保证水压，以使水处理系统正常运行。（其余的三分之一大部分用于将水泵入10英里高的储水装置以及预处理和取水泵。）卡尔斯巴德工厂的拥有者预计淡化出每立方米水需耗用2.8千瓦时的电量。立恩哈德表示，一些采用其他处理方式的小型反渗透系统（分批泵水，而不是连续泵水）所耗用的电量为1.5千瓦时到1.7千瓦。但是这种技术并未获批大规模使用。
问题出在哪里呢？要使水通过薄膜并不是件容易的事——所需的压力要消耗大量能量才能达到。这种相对较厚的聚酰胺膜虽然不是最理想的薄膜，但却是目前我们能使用的最好的薄膜。一些机构正努力研制效率更高的材料。在麻省理工学院，机械工程师若西德·卡尼克（Rohit Karnik）领带他的团队正研制一种只有一个原子厚度的薄膜，可以令水分子轻松通过。研究者们用离子束冲击石墨烯后，将其进行化学腐蚀，在上面蚀镂出不足一微米的微孔。
从理论上讲，这种基本上是二维的薄膜产生的阻力最小。杰弗里·罗斯曼（Jeffrey Grossman）的材料科学与工程学团队在麻省理工大学制出的计算机模型显示，石墨烯薄膜可将反渗透技术的能量消耗减少１５%到４６%。而且，这种薄膜的高渗透性使得水通过薄膜要求的表面积小得多，因此整个工厂的规模可以缩小一倍。
到目前为止，卡尼克已经制出一平方厘米大小的微孔石墨烯薄膜，它可以选择性地阻止某些离子通过。但是卡尼克表示，这种薄膜还不能真正用于淡化海水，即使是在实验室也不能达到这个目标。一旦他或其他研究机构实现了这个目标，接下来的挑战就是如何制造出性质均匀一致的大薄膜。卡尼克对此表示乐观，但他表示这一目标还需数年时间才能实现。
由于纳米工程技术的发展，现在的薄膜材料得到了改进。在法尔博拖车的一角，科恩正在用他团队研制出的一种薄膜进行实验。基底层由聚酰胺制成，但他在上面增加了一个由亲水聚合物制成的触须层，这一层可以吸收更多水分。初期研究显示这些亲水膜有很强的抗垢能力，这是因为这些触须（他将之比作海底岩石上的巨藻）可以防止杂质粘附。这就可以缩短停修时间、减少更换次数、提高处理能力。但是，科恩表示人们应该现实一点，“人们总是认为会有一种神奇的薄膜可以将海水淡化的成本削减为零，我想这是一种误解。”
目前，在加利福尼亚的沿海城市，海水仍然是人们在尝试节约用水、循环利用、甚至是污水处理再利用后走投无路时的最后选择。虽然许多城市正考虑海水淡化，但是最有可能步圣地亚哥后尘的城市是圣巴巴拉。这是因为它在连续五年干旱之后，于上世纪九十所初建立了一座ＲＯ工厂，但很快这家工厂在几年丰沛的冬天降水后就被关闭了。圣巴巴拉最近开始投巨资修复这座工厂，以在必要时重新启动运行。而其他城市则认为海水淡化工厂造价过高而且会产生环境问题（脱盐设施不可避免地会杀死鱼卵和其他水生动物，除非投巨资将进水管埋入沙土之下）。
但是评估结果或许会改变人们的看法。从水库引水或从遥远的三角洲取水的造价更为高昂——而且这也会带来环境问题。由于水资源越来越少，在商业、农民和城镇居民间产生用水竞争，我们必然会将目光转移到海水和其他含盐水资源上来。这可能不是最好的解决办法，但是这个饥渴的世界留给我们的选择越来越少了。
