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臨渴掘鹹井

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珠海鬧水荒,澳門也受影響,港人幸有東江水眷顧,暫時仍能生活如常。我國人均水資源不算豐富,隨着經濟發展和人民物質生活改善,食水供應愈趨緊絀,可說是「意料中事」。古人有訓,不應臨渴掘井,今日便讓我談談海水化淡。

海,是世上最大的一口井,蘊藏着全球九成七的水份,問題是我們能否有效地從這口鹹井掘出淡水。超過三十歲的讀者,腦海必然泛起早已拆卸、建於樂安排的海水化淡廠;根據中文維基,原來它曾經是世上最大規模的,想不到香港竟然是這方面的先驅。這座海水化淡廠採用蒸餾技術,簡單來說是把水煲成蒸氣,再把蒸氣凝結為水;試想像,你每次煲水之後,喝的不是茶煲裡的水,而是煲蓋滴下來的水,那是多麼的費時失事,不如買屈臣士蒸餾水算了。很明顯,香港政府也有同感,與其等候煲蓋滴水,不如買現成的東江水吧。

廿多年後的今天,海水化淡廠雖非舉世林立,卻也絕非罕見,在阿拉伯聯合酋長國、沙地阿拉伯、科威特、卡塔爾等中東諸國尤其「流行」,他們沿用蒸餾技術,因其燃料(石油)垂手可得。為減能源消耗,蒸餾式海水化淡廠通常建於發電廠旁邊,後者產生的餘熱可以用來幫前者煲水。讀者可能見過 MSF、MED、MVC 等名詞,不用太在意,全是蒸餾技術的分支。

美國、日本、意大利和西班牙也有淡化海水,由於燃料有價,蒸餾式化淡廠的比例遠低於中東,取而代之的是「逆滲透」技術,洋稱「reverse osmosis」。想像,一個魚缸被一塊薄膜分隔成左右兩半,這塊薄膜只會讓水分子穿過,其他雜質如鹽份一律穿透不了;然後灌水,淡水左邊,海水右邊。海水的鹽份較多,亦即水分子較少;由於左邊淡水的水分子多於右邊,故左邊的水分子會穿過薄膜「遷徙」至魚缸右半,直至兩半有同等數量的水分子為止。右邊鹽份較濃,正常情況下,鹽份應該右向左移,直至兩邊鹽份相約,但不要忘記薄膜只讓水分子穿透,鹽份無處可走。水分子穿過一塊「透水 only」的薄膜由多水走向少水之處,這現象稱為「osmosis」,或「滲透」。很明顯,滲透只能「溝淡」海水。要化淡,我們便要「逆」天而行,向魚缸右邊的海水加壓,「逼」海水的水分子穿過薄膜,左邊的淡水便增多了,這就是「逆滲透」,人工地「逼」水分子朝相反方向走。中東以外的海水化淡廠,大多使用逆滲透。

逆滲透所需燃料固然較少,但對水質要求較高,假如水中雜質太多,薄膜便可能遭阻塞,故進行逆滲透之前通常會對海水作些的預先處理,類似污水處理的工序。另外,海水鹹度也會影響逆滲透的效率。概括來說,若果選址位於鹹淡水交界,處理海水鹹度較低,逆滲透比較化算;鹹度高的地方,蒸餾則較合適。

雖然逆滲透和蒸餾佔了海水化淡市場絕大份額,還有第三種技術值得一談。想一想,逆滲透是強逼水分子穿過一塊其他雜質不能穿過的薄膜;換個角度看,那塊薄膜就像一個把水份和雜質分離的篩子,把想要和不想要的東西分隔開來。如果另一塊薄膜只讓雜質、而不讓水份穿過,那不是同樣達到目的嗎?對,第三種化淡技術 -- 電透析(electrodialysis)-- 就是運用這樣一塊薄膜。要明白電透析的原理,必須首先認識正負離子的概念。鹽之所以溶於水,是因為其原子遇水便會拆成帶正電和帶負電的兩部份,是為正、負離子;鹽的化學名稱是「氯化鈉」,溶於水中形成帶正電的鈉離子和帶負電的氯離子,拿走水中的正、負離子,便能淡化海水。

想像你站在天橋之上,下面馬路三線行車,中線供海水「行走」,中線與左線之間是一塊只讓正離子穿過的薄膜,中線與右線之間是一塊只讓負離子穿過的薄膜;換句話說,海水中的正離子只可以「轉左線」,負離子只可以「轉右線」。這還不夠,離子必須保持在左、右兩線,不得返回中線,要達到這點不難,只需在馬路兩旁放置與離子相反的電極便可(即負極在左,正極在右)。正式的電透析裝置不只「三線」、而是正負離子薄膜相間的「多線行車」,分別不大,重點盡在「三線行車」的比喻之中:以電極吸引正、負離子各走一端,再以只容許離子穿透的薄膜確保水份與離子分隔。

蒸餾要煲水,逆滲透要高壓泵水,電透析則要用電抽取離子,每種方法都是向海水注入能量,拆開水分子與離子的「糾纏」。最近,溫哥華一間叫 Saltworks Technologies 的公司,借用太陽的熱能,發明了一種耗能較少的化淡技術。回到「三線行車」的比喻,但馬路兩旁沒有電極,而且三條行車線和天橋全供海水「行走」;原本的兩塊薄膜仍在,但由於三線全是海水,薄膜兩邊的離子密度相等,故沒有離子「轉線」。假設陽光照不到馬路,只照到天橋;烈日當空,天橋的水份蒸發,留下比海水更鹹的超鹹海水,天橋離子過剩,若果建條樓梯通落馬路,離子必會一湧而下。關鍵就在這裡,我們建兩條樓梯,而且是有薄膜的樓梯,只讓某類離子通過:落左線那條樓梯只讓負離子通過,右線那條只透正離子。

離子一湧而下,左線頓變「負資產」,因為有太多負離子湧入,恰巧分隔左、中兩線的薄膜只讓正離子穿透,左線多餘的負電「資產」正好吸引中線的正離子;同樣情況在右線發生,只是正負對調。結果,中線的正、負離子分別被吸引至左、右兩線,中線的海水給淡化了。

Saltworks Technologies 稱此為「Thermo-Ionic」系統,是商標來的,大家不要「亂用」,網上的資料全是 Saltworks 自己發放,找不到第三方的獨立評價。然而,此技術也不能說是未經考驗,它已經拿了幾個科技獎項之餘,亦得到投資者垂青,建了一間測試設施。根據 Saltworks 網頁,這技術比傳統化淡節省八成能源。

以我這個外行人看來,節省耗能不算出奇,因為它明顯地借用太陽能量,我懷疑的是它的「產量」。試想,以蒸餾化淡,若果我需要多些淡水,可以「加猛個火」;以 Saltworks 的技術,我不能「加猛個太陽」,整個程序有賴陽光首先製造「超鹹海水」,日照會不會是它的瓶頸?沒有陽光的日子又怎樣?如果省能是海水化淡的唯一考慮,那我們根本不需要海水化淡,每人只要到沙灘撈一盆水上岸,用玻璃蓋着,等太陽蒸發盆裡的水,玻璃蓋滴下來的便可飲用,這是百分百借用太陽能量淡化海水,能源投入是零。事實上,這個方法我們一直沿用,地球不就是一間巨型蒸餾式海水化淡廠嗎?它的「鍋爐」是太陽,我們喝的是天上滴下來的水。

問題是,現在人太多,地球這間免費巨型蒸餾式海水化淡廠供不應求,我們唯有另覓他法。海水化淡不是高科技,地球也不缺海水,如果我們有無限能源,要多少淡水也不是問題。以這個觀點,我們沒有水危機;我們需要解決的,是能源危機。

(2009 年 11 月 18 日 信報副刊)

相關連結:
29 Oct 2009, The Economist
A fresh way to take the salt out of seawater

Scientific American
Confronting a World Freshwater Crisis

Encyclopedia of Desalination and Water Resources

Food and Agriculture Organization of the United Nations: Statistics

EarthTrends: Water Resources and Freshwater Ecosystems: Searchable Database

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