美國研發(fā)出新型船用凈水設備，破解世界難題

目前，世界海軍大部分艦船都是使用“反向滲透（reverse-osmosis）”技術來從海水中凈化淡水。但美國海軍研究局技術人員表示，現(xiàn)有系統(tǒng)不夠節(jié)能，非常費人力而且不能完全滿足需求。為了開發(fā)新一代的“反向滲透”技術凈水系統(tǒng)，海軍研究局啟動了一項制造“反向滲透”原型機的計劃。這種裝置不僅可以減少能源消耗，提高產(chǎn)出，而且可以大大減少維護需求，幫助海軍有效克服長期以來一直存在的挑戰(zhàn)，確保了艦船上可以有充足的淡水。

二等兵丹尼爾·格雷尼姆（Daniel Graham）是加拿大海軍多用途巡邏護衛(wèi)艦“卡爾加里（Calgary）”號上的一位海事工程機械師。在2010年7月18日的“環(huán)太平洋”演習中，他負責對該艦的“反向滲透”海水脫鹽凈化裝置進行監(jiān)控，為艦員們提供淡水?！胺聪驖B透”技術在美國海軍許多艦船上都有應用，目前美國海軍研究局已經(jīng)啟動了一項艦船用新型凈水裝置的研究和發(fā)展計劃，希望新裝置和現(xiàn)有裝置相比，能夠實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)約，且能生產(chǎn)更多凈化水的目的。

海軍研究局負責功能聚合物和有機材料研究的主管鮑爾·阿米斯特德（J. Paul Armistead）說：“節(jié)能和生產(chǎn)潔凈的水對海軍來說是一項戰(zhàn)術議題，我們計劃研發(fā)的海水脫鹽凈化裝置，與海軍目前使用的‘反向滲透系統(tǒng)相比，能量使用量約為其 65% ；重量約為其 40%，維護需求約為其 75%?！?/p>

“反向滲透”系統(tǒng)是這樣運作的：在第一階段，通過泵壓抽取海水，首先由過濾筒來提取大的粒子（超過3微米的任何東西），然后水會通過一層薄膜，這層薄膜由多孔的熱塑料性材料制成，有密集的聚酰胺分離層（舉例來說，尼龍就是一種聚酰胺），可以阻止另外的污染物，溶解像鹽這樣的分子。在第二階段，必須對水進行增壓（800～1000磅/平方英尺）以克服滲透壓力，讓這些水以穩(wěn)定的流速通過薄膜。清潔的水會進入儲水箱，那里還要進行氯消毒，以清除在上述過程中遺留下來的細菌。最后，咸的廢水倒入大海。

海軍研究局致力于開發(fā)新系統(tǒng)，希望可以提高其中一些部件的使用壽命，如過濾筒，目前在大洋上使用能夠持續(xù)6周時間，但在瀕海海域使用僅能持續(xù)幾天而已，而且薄膜暴露在氯物質下3～5年就會破裂。

美國海軍局是在20世紀80年代中期開始試驗海水脫鹽凈化技術的，但是開始兩次使用商用裝置的試驗并不成功。到了1988年，海軍在“弗萊徹（Fletch）”號驅逐艦上安裝了一種海軍研究的“反向滲透”裝置，海上測試取得了成功，并且開始運用到多種海上平臺上。

今天的系統(tǒng)使用的技術基本上仍然是20世紀80年代開發(fā)的技術。海軍研究局希望找到提煉海水中鹽分的新方式，或者讓現(xiàn)有技術的表現(xiàn)更好；希望可以研發(fā)更結實、效率更高的“反向滲透”薄膜。

目前的海水脫鹽裝置因產(chǎn)出量的不同而價格不同。就軍用裝置來說，1套每天產(chǎn)出 2000加侖淡水的裝置價格約10萬美元；1套每天產(chǎn)出1.2萬加侖淡水的裝置價格約30萬美元；1套每天產(chǎn)出10萬加侖淡水的裝置價格約150萬美元。

2010年，海軍研究遇到的首要挑戰(zhàn)是，讓公司或者個人相信他們可以研發(fā)出一種抗氯化（chlorine-resistant）的薄膜。

阿米斯特德說：“其實有很多其他類型的化學物質穩(wěn)定性是和氯一樣的，只不過通量率不同而已。其中一些物質可以進行改進，它們也可以幫助改進現(xiàn)有技術。”

2012年年初，美國海軍同 NanoH20公司簽署了一份總額為40萬美元的合同，這是一家位于加利福尼亞州埃爾賽貢多（ El Segundo）的公司，主要生產(chǎn)海水脫鹽系統(tǒng)的部件。該公司一位發(fā)言人表示，該公司已經(jīng)研發(fā)出了整合納米粒子和聚合物薄膜的“反向滲透”薄膜。這些納米材料可以吸收水分，排斥鹽分，可以減少將水通過薄膜所需的能量。

NanoH20公司首席科學家鮑勃伯克（Bob Burk）說：“我們已經(jīng)能夠以最高的生產(chǎn)率來獲得一種先進的薄膜，這是千真萬確的。但是，現(xiàn)在的問題是，我們如何將這些系統(tǒng)優(yōu)化以使效率最高化，如何優(yōu)化這些平臺以滿足海軍的需求，包括減少尺寸適應小型艦船裝載需要等?！?/p>

NanoH20公司已經(jīng)在美國海軍位于加利福尼亞州休尼梅（Hueneme）港的海水脫鹽試驗場測試了其產(chǎn)品。海軍研究局表示，未來海軍將支持相關的測試，以檢驗產(chǎn)品的污垢熱阻性能和處理高通量海水的能力。伯克表示，節(jié)能型的海水脫鹽技術并不僅僅是海軍有需求，這是一個世界性的問題。他說：“我們之所以廣泛深入地研究海水‘反向滲透技術，是因為全球存在著水危機的問題?！?/p>

目前，向美國海軍供應此類產(chǎn)品的公司主要包括：位于加利福尼亞州加迪納（Gardena）的 Village Marine技術公司；位于田納西州諾克斯維爾（Knoxville）的 Aqua-Chern公司；位于加利福尼亞州卡森（Carson）的Sea Recovery公司。海軍研究局表示，Sea Recovery公司主要負責向兩級小型艦船供應凈水系統(tǒng)。其中，Village Marine技術公司正在幫助海軍開發(fā)新的遠征型凈水器。2005年卡特里娜颶風之后，這種遠征型凈水器部署到了密西西比州的比洛克西（Biloxi），將墨西哥灣的10萬加侖海水凈化成了淡水。

目前該公司正在海軍的休尼梅港海水脫鹽試驗場測試第二代遠征型凈水器。新型凈水器的設計強調艦載限制因素，有可能在改裝翻新之后配備到“尼米茲”級航空母艦上。阿米斯特德說：“目前這并不是一種為艦船設計的凈水器，它的許多部件都是用塑料制造的。不過我們正在進行測試，看看這種設計方案是否會有用?！?/p>

海軍研究局計劃在2014年之前讓下一代“反向滲透”凈水系統(tǒng)的原型機能夠部署到瀕海戰(zhàn)斗艦上。阿米斯特德表示，今年的工作主要還是系統(tǒng)部件的研究和發(fā)展，此后將進入原型機組裝生產(chǎn)的階段。

對艦員們來說，更有效的脫鹽凈水系統(tǒng)將意味著更少的工作負擔，以及更充足的洗澡用水。阿米斯特德說：“海軍目前的脫鹽凈水系統(tǒng)的產(chǎn)出率只有 20%。也就是說，我們抽取1000加侖的海水，只能凈化出200加侖的淡水……如果我們可以把產(chǎn)出率提高到50%以上，那么海軍使用淡水的情況將會改善很多。”