在沙特阿拉伯,政府所有的SWCC意识到,在产出更多淡水的同时,还有机会能收获额外收入。目前SWCC正在建设一个示范工厂,从含有多种盐的海水淡化废水中采集氯化钠等盐类。
该厂计划于2024年底在哈克尔动工,据Fellows介绍,该厂将在一长串盐水处理流程中使用一种名为“纳滤(nanofiltration)”的新兴技术,进行盐分的选择性提取。纳滤法的工作原理与反渗透法一样,是推动水分子穿过一层膜,只是这层膜的孔洞更大,一部分盐离子也能穿过。钠、钾、氯等只有一个电荷的溶解盐离子可以穿过孔洞,而镁、钙等有两个或两个以上电荷的离子就无法穿过了。SWCC面临的关键难题,是使得产出的氯化钠纯度足以满足氯碱市场的要求。
SWCC这家工厂处理盐水的最后一步,是将盐水高温煮沸,直至得到纯氯化钠结晶。Fellows表示,这一步耗能巨大,还远远不尽人意。他的团队已经开始为这一步探索其它方法,如冷冻脱盐。冷冻脱盐的启示源于这样一种自然现象:海水是咸的,但海冰是淡水冻结成的。Fellows觉得冷冻脱盐非常有吸引力,因为把冰冷的水冷冻起来,能耗只有将其煮沸蒸发的1/7。“当下我还不知道哪种方法最好,但我们要分离的物质不同,最佳方法也就不同。”Fellows说。
还有很多团队在研究另一种办法,用电而非用压力来分离物质。这一技术使用电流,牵引溶解的盐离子穿过特制的离子交换膜,这就使得离子只能朝着一个方向运动。随着离子穿过一层层膜,盐水的浓度就会逐渐降低,也就越接近淡水。研究者认为,对含盐量极高的盐水,这种方法将能用于预稀释,接着就可以用传统的反渗透法分离出更多淡水。
Lin的团队尝试了一种电力方法的变体,让穿过离子交换膜的浓缩盐离子积聚起来,直至形成固态晶体[3]。Lin说,这种方法在不蒸发水分的前提下生成盐结晶,对部分盐类很管用,例如电厂废水中常见的硫酸钠;但是对于废盐水中含量最高的盐类——氯化钠,效果并不理想。他表示,钠离子和氯离子与水分子的结合得太紧密了,甚至会把水分子也拖到膜的另一侧来。
Yip的团队则既没有使用蒸发,也没有使用薄膜,而是诉诸化学溶剂[4]。一个很有前景的方案是,利用一种名为二异丙胺(diisopropylamine)的现成溶剂[5]。二异丙胺溶剂浮在高浓度盐水的顶部,在低温条件下,它会选择性地吸收水分子,留下大部分盐离子;温度较高时,二异丙胺又会转化为斥水物质,把吸收的水分子快速大量释放出来。由此,可以把水恢复成淡水,溶剂也可以重复使用。
Yip表示,他的团队已使用这种方法,从含盐量为海水10倍的盐水样本里恢复出淡水——常规的反渗透法根本无法做到这一点。当然,他们表示,这样得到的淡水尚无法饮用,还需要后续步骤除去污染性的溶剂和盐分。但是,这种方法将有助于工业部门从自己产生的废盐水中回收水。该团队目前正在参加美国能源部主办的一项有奖挑战赛,比赛要求建设一个利用太阳能完成除水步骤的小型试点。
Ren及其同事受到树木的启发,采用了一种完全不同的方法[6]。树木可以对抗重力,把水向上抽取数米之高,从叶片排出干净的水蒸气,而把水中溶解的化合物留在组织中。Ren的团队效仿树木,用纤维制成长绳,绳子的一端浸泡在盐水中。随着盐水向上运动,盐就会分离出来。这一方法运用的是司空见惯的层析原理——同一介质中,不同化合物的运动速度不同。
Ren的主要目标是氯化锂,这种物质溶解性极强,而且很小,所以其离子沿绳子爬升的速度很快,快于更大的钠离子。运用这种方法,Ren已经成功地从智利的天然盐水样本中提取出了锂,能耗量和使用的空间面积都少于传统的蒸发法。他的团队正在设计一种封闭模块,把这种绳索大量聚合到一起。他们的目标是从石油和天然气工业的废盐水中提取出锂,同时把蒸发的水分恢复成淡水。
除此之外,自然界还有很多现象能给人启发,比如细胞膜中镶嵌的通道蛋白,它们具有很强的选择性。Elimelech说,有一种类型的离子通道蛋白,每通过1000个钾离子才能通过一个钠离子。日前,Elimelech的团队正在研发模仿这些通道蛋白的膜,但研发尚处于最初阶段。