主題 達人專欄

[一日一data] 來自海洋的淡水

銘叔 | 2021-06-13 18:19:34 | 巴幣 1068 | 人氣 426

一、 淡水的消失
(圖片來源:wiki)(完整連結於此)


  全球暖化使得世界各地的湖泊、河川等淡水的不僅越來越少,就連含氧量也急遽下降,在過去的 40 年中,各大湖泊下降速度加快了 3 ~ 9 倍,天然的淡水資源正在消失當中。


  湖泊的乾涸使得水生動植物的棲地縮減,含氧量的下降更直接導致水生動植的大量死亡,而這場生態浩劫正在悄然發生。


  另一方面,於人類社會中,由於生活與工業廢水的排放導致水中含有過量的磷,它的存在使得水道中的藻類與其他水生植物的生長更加茂盛,最後導致水道堵塞,因此首要之務就是要移除水中的磷,然而磷同時也是所有生物成長都無法欠缺的存在,但如此重要的元素,在世界上卻越來越缺乏,科學家更做出預測,認為在 2035 年,世界就會有磷短缺的現象產生,所以我們不僅要移除廢水中的磷,更要將之採取出來再次利用。

  補充一點,當我們將一杯廢水的水移除,我們將會得到一杯濃縮過後的磷與氨,接著再加入一點氯化鎂,精煉過後廢水將華麗變身成為農業肥料,但它卻不是一般的肥料,而是緩效性肥料,一般農業用的化學肥料都是水溶性的速效性肥料,因溶解太快,常常植物還沒吸收完,剩下的就隨著水滲到地下水層,緩效性肥料就是在化學肥料外層包覆一些疏水物質或隔水材料,避免肥料溶解太快。


  從上述中,我們知道了野外的湖泊河川逐漸乾涸,且由於水中生物的大量死亡,導致這些水無法直接使用,城市中污水處理的相關基建,不僅老舊、低效且維護成本高,最重要的是已不足以負荷激增的人口與工業需求,大量未經處理的廢水直接排入海洋,使得大海也開始生病。


  淡水資源面臨什麼問題呢?


  目前天然淡水的主要來源為雨水、河水、湖水、地下水,其中河水與湖水由於全球暖化的效應正在逐漸縮減,而雨水則因氣候極端化,導致降雨時機不固定,甚至降雨的次數明顯下降,且一旦降雨,其雨勢又急又猛,盡管雨量很大,但由於太過迅猛而產生洪災,造成一樁樁令人悲痛的憾事,地下水的水主要來自於雨水與濕地,然而由於降雨次數減少,也導致了地下水的補充產生問題,地下水減少,直接導致地層下陷、海水倒灌。


  天然的淡水逐漸稀缺,人類社會的廢水無法有效的淨化,進而再此利用,而隨著時光流逝,人口將會越來越多,對於水的需求絕對是有增無減,不久的將來人類將面臨比病毒更可怕的危機,那便是飲用水的戰爭。


二、 海水淡化


  為了保護我們現存的淡水,除了生態復育與適當的工程維持外,更重要的是尋找新的淡水資源,以因應水需求越來越高的未來社會。


  海水淡化是我認為最佳的解方,這項技術在中東等缺水國家早已行之有年,其目的簡單來說就是將海水中多餘的鹽分與礦物質去除,而得到淡水。


  目前主流的技術為:


(圖片來源:wiki)(完整連結於此)


  1. 逆滲透:

  這項技術想必大多數的人都很熟悉,因為它就我們使用飲水機時,常聽到的 RO水 ,簡單的介紹一下滲透原理,低濃度溶液會流向高濃度溶液,滲透壓的高低則是取決於鹽水濃度的高低,而逆滲透則是倒過來,在高濃度溶液的地方施加一個力,使之流向低濃度溶液,且在兩者間以半透膜分開,半透膜只會讓水分子通過,其餘分子則會被擋住。

  從上可知,逆滲透最大的優點就是可以得到相當乾淨的純水,除鹽率高達 99.5% ,淡化每公噸海水需 3 kW 的電量,然而其主要缺點就是半透膜堵塞(鈣、鎂、鐵)使產水量下降,因此在進入逆滲透程序前還需多一個前置處理動作,以減少半透膜堵塞的問題。


(圖片來源:wiki)(完整連結於此)


  2. 多級閃蒸:

  這項技術相當單純,多級就是多個閃蒸室,閃蒸則是以減壓的方式降低沸點,並產生水蒸汽,此時水分與鹽分子分離,再將水蒸汽冷凝後即可製得淡水,其最大的優點就是建置成本低,產量大小也對應著閃蒸室的大小,也就是說產量可以相當龐大,但最主要的缺點就是高耗能與淡水回收率低,其中高耗能問題在科技不斷進步的當下也逐漸趨緩,反倒是回收率低下的問題難以解決。


  受人注目的技術:


(圖片來源:wiki)(完整連結於此)


  1. 正滲透:

  這項技術與前面所提的逆滲透一樣是透過滲透原理,而正滲透則不需要透過任何外力,則可自然將低濃度溶液會流向高濃度溶液,也就是淡水會流向鹽水,此時再藉由分離技術將提取液與過膜水分分離並再生,理論上正滲透技術應具有低耗能與低積垢的好處,從根本上大幅提升穩定性與降低耗能與更換的經濟成本。

  然而其最大的兩大困難便是提取液與薄膜,提取液須具備高滲透壓、低反滲透壓之特性,並要能有良好的分離淡水的效率,而正滲透壓的薄膜更是其中關鍵,由於內濃度極化使實際水通量要遠小於理論水通量,且正滲透薄膜市面上並不普及,製作上更為困難且成本高。

  補充一點,濃度極化是指分離過程中,溶液通過薄膜,溶質被截流,被截流後該區域濃度越來越高,導致溶質向溶液本體擴散回去,形成邊界層,使得流體阻力增加,導致水通量下降。


(圖片來源:wiki)(完整連結於此)


  2. 薄膜蒸餾:

  這項技術是一種分離程序,利用多微孔且疏水性質的薄膜,將兩側不同溫度的流體區隔,膜兩側的溫度差會造成蒸氣壓力差,以此壓力差為驅動力,使蒸氣分子透過膜孔道擴散至冷側端,再藉由冷流體或其它冷凝裝置冷卻並加以收集。

  從其簡單的原理來看,可想而知其設備簡單,占地面積小,無須加熱到沸點,也就是說可以利用廢熱,也就是說其投資成本低且建置簡單方便。

  然而其最大的困難點就在於這種特殊的薄膜成本太高,同時薄膜上也會積垢,導致其效率下降。


(圖片來源:wiki)(完整連結於此)


  3. 電容去離子化:

  此技術被視為當今成本最低、高效率和無汙染,最具潛力的脫鹽技術,其原理是以通道式的結構,並於兩側的奈米孔洞碳電極之間施加外部電壓,此時在兩電極間回形成一個靜電場,並強制離子向帶有相反電荷的電極處移動,使得大量的電解質離子能儲存在具奈米孔洞的碳電極材料中,達到移除水中離子與脫鹽之目的。

  上述的非本科應該看不太懂吧?

  簡單來說就是將海水中除了水以外的離子都吸附在兩側的電極上,而這兩側的電極能夠有效地提供良好的吸附量與穩定性,以保證海水中的鹽被去除。

  此技術的耗電量極低僅需 0.15kW ,且可以在低壓的環境下運作,意味著此技術於系統上的運轉需要的能源奇低,且透過電的吸附作用,當電一釋放吸附於電極上的離子將回到水中,因此無任何汙染或積垢問題。

  然而目前此技術最大的困難便是奈米孔洞碳材料的量產,若能夠突破想必這項技術將是未來海水淡化的最佳選擇。


三、 展望未來
(圖片來源:wiki)(完整連結於此)


  盡管介紹了許多海水淡化的技術,但這些新技術仍受制於開發與量產上的困難,這一點仍須進一步的突破與創新,除了海水淡水這開源的做法外,我們現今應該做的就是節流。


  於人民來說,不外乎就是大量使用省水設備以及水的再利用,於政府而言,輸送、排水系統的檢點,以及汙水處理的設備維護與更新,引進新技術提高汙水處理的品質與量能,以及提出各級獎勵措施,鼓勵人民養成省水的好習慣,若可能再推動居家或社區為主的循環水系統,讓未來住宅能自主淨化廢水,並再次利用,以此平緩化未來人口激增而導致的居高不下的水需求。


  今年我們台灣人親身體會了一場缺水危機,台灣從南到北大家都感受到缺水所帶來的不便,讓我們深刻地感受到水對於生活來說何其重要,但這一場缺水只是一個開始,在氣候極端化的時代裡乾旱與洪水會越發常見。


  未來人們可飲用的水越來越少,但不可飲用的水卻四處氾濫,水的淨化與再利用將是未來世界對於水資源的一大課題。


  過去,淡水來自雨水與湖泊,未來,淡水將來自海洋。




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創作回應

聖使仙俠
很棒的文章,幾年前就有人在說地球的氣候已經改變了,但是當時還沒有造成生活上的影響,所以大家都不在意,誰也想不到氣候變遷會讓適合生活的地區變得沒水可用…
2021-06-13 20:14:17
聖使仙俠
我認為地球現在正在進行一場演變,將適合居住的地區『減少』的演變,若干年後,日本將不會再下雪,而是轉變成為類似目前台灣的天氣,而台灣呢,冬天將不會低於20度,夏天則是常態40度高溫。簡單來說就是將「非常適合人類居住」的地區慢慢往兩極推進…
2021-06-13 20:18:22
銘叔
目前氣候就是走向極端,沙漠化這個趨勢相當顯著,而面對如此現象,我們是毫無抵抗的方式,總得來說我們也只能任由自然的變化了
2021-06-14 11:17:29
一劍封邪兵燹
原來是人類惹的禍阿!
2021-06-13 20:31:47
銘叔
我是覺得人類只是推手,一切只是自然的變遷,這變遷來自於地球的自轉與公轉
2021-06-14 11:20:10
佛萊曼
缺水一直是近年來迫在眉睫的問題,海水淡化是不錯的方法,未來的氣候很可能都會像近幾年一樣,缺水的問題一旦常駐,就得從其他方面去解決水的問題。包括台灣水費太便宜,水浪費的問題,還有像科學園區的水回收再利用等等。
2021-06-13 20:42:42
銘叔
海水淡化的技術,基本上都能套在回收水的淨化上,目前台灣前幾大的用水大廠都已經自主興建回收水廠,看看股票都進去炒了,看來大家也都知道這是趨勢。
2021-06-14 11:22:58

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