水与全球福祉

朱迪·哈里斯是格洛斯特郡里伯斯顿霍尔学校的六年级学生。她入围了奥斯卡优秀奖化学类的决赛，她的作品是……

幸福被生态经济学家Robert Costanza称为生活质量[1];但是，没有生命本身，什么是幸福、健康和繁荣呢?身体和情感的健康都严重依赖于人体的化学物质，而人体的化学物质又严重依赖于水。一氧化二氢，简称H₂O -是必不可少的溶剂，是人体的运输媒介，它赋予人体调节温度的能力，在食物的消化和吸收中起着至关重要的作用。事实上，它是生命的基本组成部分之一，这也是为什么在火星上发现了古老的湖泊之后，数十亿美元被投入到太空任务中，在这颗红色星球上和更远的地方寻找过去或以前的生命。但在离家更近的地方，世界范围内的水资源短缺问题凸显了人类对这种重要分子的依赖。

世界上有很多地区水资源严重匮乏，不是因为资金不足，而是因为它们的自然地理位置。这些国家大多位于赤道，那里的高温和有限的季节性降雨迫使人们寻找其他可靠的水源。如果没有世界各地的化学家和研究人员的工作，生命和繁荣就不可能在地球上的这些地区蓬勃发展。

阿拉伯联合酋长国的管理机构[3]尤其关注这一问题，该机构拥有资金和资源，可以开展广泛的研究。虽然它是西亚最富有的城市，但阿联酋的淡水供应正在减少，并且在很大程度上依赖于水净化技术。阿联酋的大部分淡水是通过海水淡化产生的。脱盐过程可分为两大类，一类是利用热能，另一类是依靠电能[4]。最常用的技术被称为反渗透，它使用大量的电能来推动水通过半透膜的电位梯度。不幸的是，反渗透仍然存在许多问题，包括膜污染和高能量需求。

另一种脱盐方法是正向渗透。这项技术将利用水沿着水势梯度从海水向下移动到抽取溶液的趋势。拉拔液中含有溶质或拉拔剂，以后可以通过化学或物理过程将其除去。最初使用的化学药剂是碳酸氢铵，它在加热时分解成二氧化碳和氨。这些产品可以重复使用，形成一个闭环系统。目前的研究正试图利用纳米技术，使正向渗透技术在更低的温度下工作，可能只使用来自太阳的热量。

其中一种可行的方法是在溶液中使用覆盖在两亲分子中的纳米颗粒。在低于34℃的温度下，水-纳米粒子氢键将占主导地位，降低了抽取溶液的水势，并允许从含盐海水溶液渗透到抽取溶液。然后收集提取液，加热至35℃以上。在这些较高的温度下，由于氢键被破坏，纳米颗粒之间的相互作用将占主导地位，导致纳米颗粒聚集在一起形成球形。这将使纳米颗粒很容易被去除，使用弱磁场或简单的纳滤。纳米颗粒可以重复使用，与目前的海水淡化技术相比，整个过程消耗的能量非常少[5]。然而，这两种渗透技术仍处于发展阶段，新材料正在测试半透膜。

另一种替代方法是，脱盐过程完全不使用渗透，而是基于简单的蒸馏过程。海水被加热并蒸发，留下盐晶体，然后蒸汽凝结成无盐水。有许多不同的蒸馏技术;多级闪蒸(MSF)约占全球脱盐的85%[6]。这是最简单的方法，使用多个蒸发室来收集淡水。真空蒸馏也越来越受欢迎，在这种方法中，对水体的压力降低，使其在更低的温度下蒸发。

所有海水淡化方法的两个普遍问题是海水的吸收和高浓度盐溶液的输出，如果管理不当，这两个问题都会破坏水生环境[6]。工厂建成后，需要投入资金建设高效的分配系统，并且需要控制吸水率。在澳大利亚珀斯的Kwinana海水淡化厂，海水以0.1 ms-1的速度不断从海洋中被吸走，使鱼类有机会游离管道[6]。虽然有些海水淡化的方法不能产生浓盐水，但那些产生浓盐水的方法必须控制盐水的重新引入。他们可以在水流湍急的区域释放盐水，从而迅速将其分散，或者使用大量的管道，沿途有小孔，让盐水在更大的区域释放。

在淡水生产、废水处理和节水方面也有其他选择。直接用于饮用水的废水处理目前只有新加坡一个国家使用[7]。他们使用的过程中有许多步骤，包括过滤，生物处理和沉淀，使其既耗能又费时。目前的研究重点是提高这些过程的效率，重新利用一些废物来制造能源。工业废水处理通常涉及反渗透去除溶解物质，因此使用这种形式的处理作为淡水的主要来源而不是海水淡化是不可持续的选择。

然而，由于光催化燃料电池(PFC)系统，对纳米技术的研究已经打开了从废水中生产可再生能源和清洁水的可能性。该工艺使用具有窄带隙半导体的二氧化钛(TiO2)纳米管，如铜(I)氧化物，来分解废水中的有机化合物，形成二氧化碳和氢离子。氢离子在阴极处被还原，并与氧反应生成水。这个过程可以使用来自太阳的可见光，而不是以前在类似纳米技术系统中使用的增强的紫外光[8]。有了这样的发展，以及更有效的废水处理形式，循环水肯定会与海水淡化竞争，成为全球清洁水生产的可能性。

另一方面，有效的节约用水可以作为一种预防缺水的措施。虽然迪拜存在世界上最严重的水资源短缺问题，但人均日用水量几乎是发达国家其他城市的三倍[3]。每天都有大量不必要的水被使用:迪拜喷泉每场演出需要22,000加仑的水[9]，足够运营两个水上公园和一个滑雪场，很快将建成一个占地1.86亿平方米的主题公园[10]。迪拜的环保机构一直在密切关注这一问题，并计算出遵循三条规则，迪拜可以减少高达46%的用水量，即每年4100亿升水。这三条规则很简单:关掉水龙头，淋浴而不是浴缸，用水桶和海绵而不是软管洗车。这些规则不会限制或约束人们的福祉，但可以为国家节省大量资金，同时显著减少碳足迹。

虽然有很多非常简单的方法来节约用水，但钱也可以投资在诸如绿化的领域，这是一种非常节水的景观形式。为了找到适合不同环境的最佳土壤、灌溉系统和替代草皮，科学家们进行了实验。这可能会给阿布扎比这样的地方带来巨大的变化，阿布扎比是一个天然的沙漠城市，它被草地高尔夫球场和开放区域所覆盖，所有这些都使用了数百个效率低下的洒水系统。

很明显，这些领域的研究具有巨大的潜力，我毫不怀疑，在不久的将来，这些技术将被引入世界各地，以改善水的可用性，从而改善福祉。特别是阿联酋正处于其发展的关键阶段，旅游业和建筑业的增长需求超过了水的生产能力，从而有进一步的水贫困风险。通过引进最合适的淡水生产和保护技术，这个国家可以在不破坏环境的情况下生产数百万升的清洁水，并节省数十亿美元。获得更多的水将使该国公民能够集中精力改善他们生活的其他领域，使他们有自由和能力充分发挥其潜力，并改善子孙后代的生活质量。