太阳能淡化海水？！且看印度久旱逢“甘露”。

【图注】：一个住在Chellur的妇女牵着她的儿子，提着从当地脱盐净化处理厂买回来，经过反渗透处理的一桶饮用水走回家。

材料牛注：高盐量饮用水严重危害印度村民身体健康，而科学与企业的紧密合作，克服环境与地域文化特殊等困难，反复的设计和改进将给印度村庄提供安全优质的“太阳能饮用水”系统。

在Chellur这个有着独特古建筑，美得恰到好处的城市里，燥热的空气中却充满了沙尘，Shehazvi不得不眯着眼睛穿过烈日下的城镇郊区，穿过回荡着汽车和摩托车轰鸣声的炽热地面。她和她女儿下了面包车，沿着小路走回家，此时的车费比早上便宜了200卢比，这是她每次带女儿去看胃病开销的一部分，而胃病的罪魁祸首，自然是含盐量过高的饮用水。马萨诸塞州总医院的心脏病学家Maulik D. Majmudar说：“与食用时长无关，含盐量摄入过高总会危害身体健康。”但在印度的小村子里，既没有稳定的供电系统，也没有可以买到瓶装水的杂货店，更没有可供当地居民使用的安全饮用水水龙头。

一、净化水质困难重重。

Shehazvi是Mhasawad当地的老师，居住于印度马哈拉施特拉邦，该村子沿Girna河分布大约有8400人，她不忍心看着女儿因饮用含盐饮用水而痛苦，最近开始到反渗透处理工厂用30%的工资购买净化处理过的饮用水，这种饮用水比未处理水的含盐量降低了75%。她说：“喝了被污染的饮用水后女儿长期胃痛，我必须不停地带她去看病，但看病的开支过大，我只能买处理过的饮用水，喝过净化水后她就不会胃痛了。”尽管可以过滤掉细菌和过多盐分，有利于身体健康，但当地的大部分居民还是无法承担反渗透饮用水的开支，数千的居民依然喝着含盐量为1200ppm（ppm：质量浓度，即指每千克水中含有百万分之1200千克的盐，下同）。据悉，世界健康组织推荐的饮用水含盐量等级低于600ppm，而美国的马萨诸塞州坎布里奇市的饮用水，即使在含盐量最高的时候也不会超过350ppm。Shehazvi说：“每个人都想喝干净的饮用水，但无奈买不起，我每月工资只有2000卢比，买这个饮用水作为日常开支还是有点窘迫。”如果低收入人群买不起净化水，他们肯定也无法承担因饮用含盐水，以健康为代价接踵而至的医药费。正如一个当地居民所说，他每年大约花费20000卢比治疗他的肾结石。无独有偶，在当地最为关注孩子们身体健康状况的是农村教师，据反映，消化不良和胃痛常常会使得孩子们无法正常上课，甚至严重的时候老师们不得不在上课时间把孩子送到医院。

二、聚焦净化方法。

为了在印度农村设计一个实惠有效的饮用水净化系统，在机械工程部工作的教授Amos Winter，博士Natasha Wright，以及一个来自Winter's GEAR Lab的研究员和来自麻省理工塔塔中心的同事加入了研究，这是他们首次采用与当地居民面谈的方式深刻了解这个问题。Winter说：“在当地，每隔6个月我们会试着找出社会学影响科技领域的因素，我们顺着生产设计，机械设计，人种志学和社会科学等理论进行思考，然而这些因素聚集在一起就会使我们想出来的解决方案毁于一旦。”

Wright在2012年8月到加尔岗旅行时遇到了Jain灌溉系统的工程师们，他们所谋职的公司正筹备一个系统，希望能为印度的贫困村落提供安全实惠的饮用水。该公司计划筹建一种可以清除生物污染的家用饮用水系统，恰好Wright的前两次旅行都在研究当地市场已使用的系统及其工作机理，他们此行的目的不谋而合。Wright说：“通过询问村庄里的部分女性，男性和一些家庭，我注意到清除生物污染的净化系统虽然已经安装在很多村民家，但不会经常使用。我想要找到像过滤器那样能够改善水质，减少疾病的处理系统，因为我知道每个人都受到含盐水的困扰，他们说饮用水除了难喝以外，还会在他们的瓶子杯子中留下沉淀，甚至会引发胃痛。”Winter补充道：“大家都认为，我们的研究重心仅仅是为了村民的身体健康，不得不说这是最为重要的，但村民习惯了喝免费的饮用水，突然让一个人付钱就为了喝到净化水这可能吗？所以我们还应解决如何让村民们饮用净化水的问题。”Wright和Winter相信，通过设计一个实惠且可提供脱盐饮用水的公用系统，就会让那些宁愿喝被污染且高盐分饮用水的穷人更愿意花钱继续喝到净化水。

三、没有多余的饮用水，一滴都没有。

【图注】由Natasha Wright博士和Amos Winter教授设计的电渗析系统原型建于Jain灌溉厂。

这个问题不仅仅是能喝到水这么简单，印度的很多村庄水井只有挖到50-70m的深度才会有水源。但印度的全年干燥炎热，而且整个国家过度拥挤，有着全球第二（约为13亿人）的人口数量，并在为期3个月的雨季里，这个国家几乎与大雨绝缘，所以随着人口数量的增长，人们对水的需求量也不断上升，滴水贵如油，导致像Mhasawad的大部分地区都只能挖井寻水。但地表的水量取决于降雨量，不停地取用却没有及时补充使得地表干涸。人们只能挖更深的水井以获取更多的水源，与此同时含盐量通常也会随着井深的增加而增加。所以在当地强调节约用水是毋庸置疑的，而使用反渗透净化水系统净化井水时会发生什么呢？反渗透净化系统是利用一个高压泵将水强力透过一个薄膜，使盐分沉淀，而这个过滤水的过程要求更高的能量。那么问题来了，在第一次透过薄膜后，与单次净化水分离的是浓缩的高盐水。高盐水要透过薄膜就需要相应的能量，而能量的耗费远大于所得的净化水，得不偿失，所以厂商们会为了降低成本而停止第二次的过滤。因此，反渗透净化系统在当地无法达到高过滤率，比如在Chellur，其过滤率达到将近70%，也就意味着在未净化前有可能成为饮用水的30%井水就被浪费了。

四、引进太阳能电渗透系统。

在这样进退两难的局面下，他们不得不设计一个低耗能的系统。这是一个强大而艰巨的任务，并不是通过借鉴并简化发达国家现有的解决方案就能实现的。

【图注】来自塔塔工程项目公司的代表Nataraja向Wright展示了该公司现存的安装于印度一个村庄的电能反渗透净化系统。

他们开始寻求一个可以有效净化村庄里高盐量地下水的系统。鉴于当地含盐量高达500-2000ppm的典型水质，采用电渗透将比反渗透少耗费25-27%的能量，甚至可以循环过滤超过90%的饮用水。电渗透在1960年被应用于商业，它是通过电力使井水穿过两侧相互交替的阴阳离子堆交互薄膜。向离子堆施加电压时，水中的阴离子在向正极移动的过程中被仅能透过阳离子的阳离子交互薄膜阻挡，此时，盐分就从水中分离出来，最后浓缩的高盐量饮用水还能持续过滤，直到其浓度过大被收集于旁边的蒸发罐中。Wright的这个系统还能利用紫外线清除水中的生物污染。由于不需要外力迫使水透过薄膜，该电渗透系统所要求的压力和泵强都远远低于反渗透系统。并且因为目前他们不需要太多的太阳能电池板，所以太阳能也将成为另一种能量来源。研究者用太阳能取代电能，克服了印度区域电力不稳定的问题，同时降低了操作难度和资金消耗。由于电渗透系统使用的离子堆交互薄膜只需每10年换一次，不需要任何其他的过滤装置，这就减少了因过滤和替换薄膜所带来的维修费用。最主要的资金消耗将取决于他们是否能够自己制造具有光电效应的离子堆，但他们对目标市场的一次性投资约为755000卢比，这就相当于目前该村庄用于反渗透系统的总电费。Bahdupet的当地政府每月有将近7600卢比的开销用于反渗透系统的能量供应、净化处理工厂的运作和替换暗盒过滤器的费用，商家不会有所损失却也毫无收益可言。改用Wright的系统将降低他们每月一半的开销，剩下的钱他们还可以继续为城镇或人民提供资金支持。

五、解决太阳能问题

设计，建造并测试了这个系统的原型，下一步将应用于村里，目前全村的人们仍在使用塔塔工程最初卖给他们的反渗透系统。他们和塔塔工程合作帮助这个公司扩大了村庄净化水系统的规模，并有可能将目前使用的反渗透系统换成Wright设计的电渗透系统。Wright同时也发现了一些能让这个系统更高效的方法，比如，在电渗透离子堆中使用交替结构。在她忙于解决净化水问题的同时，她还在实GEAR验室里工作，她和同事试图优化太阳能与电渗透系统的结合效应，目前，太阳能面板上配有电池板以便储存一天中额外的太阳能，但他们还在研究另一种的设计方案，该方案将使太阳能面板直接与电渗透离子堆相连接，实现24小时稳定供能。她说：“如果我们能解决这个问题，我们将有可能为250亿仍在饮用含盐地下水的印度人民提供更为安全且实惠的水源。”