水净化领域的10项创新

如果我们能挖掘浩瀚的海洋是饮用水的来源，每个人都会有绰绰有余。但这意味着要去除盐，而使用现有技术既低效又昂贵。这就是为什么新泽西理工学院化学工程教授Kamalesh Sirkar开发的一种新工艺有如此令人眼花缭乱的前景。在Sirkar的直接接触膜蒸馏(DCMD)系统中，加热的海水流过一个塑料膜，该塑料膜包含一系列充满冷蒸馏水的中空管。dmd的管道上有微小的孔，这些孔的设计使得它们可以被聚集在上面的水蒸气穿透，但不能被盐穿透。水蒸气通过气孔扩散并被抽走，再次凝聚成液态水。

据Sirkar说，他的系统非常高效——每100升(26加仑)海水可以生产80升(21加仑)饮用水，大约是现有系统的两倍海水淡化技术可以生产。DCMD的一个潜在缺点是，它需要一个稳定、廉价的热源，以防止膜两侧的水温平衡。但dmd系统有可能在某一天回收岸上工厂和海上石油钻井作业产生的废热，这对每个人来说都是双赢的。Greenmeier]。

粘土陶瓷过滤器的工作方式类似于前一节中描述的海水淡化技术。基本上，水流经粘土，粘土含有很多非常小的孔，这些孔大到足以让水分子通过，但对细菌、污垢和其他有害物质来说太小了。美国道尔顿]。早在19世纪初，英国陶工亨利·道尔顿(Henry Doulton)就发明了第一个这样的装置，用于净化泰晤士河的水。当时，泰晤士河被未经处理的污水污染得如此严重，以至于霍乱和伤寒一直是危险的。布罗德里克]。

自道尔顿以来，其他发明家对他的基本概念进行了改进，例如添加银涂层来杀死细菌，所以今天的陶瓷过滤器在清除危险病原体方面做得更好。然而，真正革命性的发展是，人道主义非政府组织在发展中国家建立了工厂，生产并赠送大量廉价的陶瓷过滤器。

2006年的一项研究发现，使用简单过滤器的柬埔寨人，与2003年相比，腹泻病的发病率降低了46%，饮用水中的大肠杆菌污染降低了95%。国际资源开发组织-柬埔寨]

这些陶瓷过滤器的一个缺点是过滤速度快。水以每小时2升(2.11夸脱)的速度从粘土过滤器中渗出。但这个过程需要缓慢，以便银溶液有时间杀死病原体。这种过滤器也不能去除砷等有害化学物质。

在美国，自来水公司会添加少量的氟化在每升0.8到1.2毫克之间饮用水作为一种防止牙齿腐烂的方法。但在世界上的一些地区，包括印度、中东和一些非洲国家，水中已经含有大量天然氟化物，而且含量可能非常高，对健康有害。例如，在印度的一个村庄，5到23毫克的自然含量(相当于50毫克)。每升含铅量为0.00017至0.008盎司，导致居民严重贫血、关节僵硬、肾衰竭和牙齿染色[来源:世界卫生组织]。

幸运的是，印度研究人员在2013年3月的《国际环境工程杂志》上发表了一篇文章，提出了一种可能的解决方案。研究人员开发了一种过滤系统，它使用一种常见的草药，原藜草，来吸收饮用水中多余的氟化物。该工厂也被用于从水中提取有毒重金属，当水在大约27摄氏度(80.6华氏度)的温度下通过时，它会吸引氟离子。这种过滤器可能提供一种廉价、易于使用的方法，使供水含有过量氟化物的地方的水变得安全。但它也可能被美国和其他国家的人使用，他们不喜欢在水中添加氟化物[来源:科学日报]。

沙子和砾石被用来净水已经有几千年的历史了，1804年，一个名叫约翰·吉布的苏格兰人设计并制造了第一个过滤器，通过沙粒过滤水，去除更大的污染颗粒。他的技术效果非常好，很快，伦敦和欧洲其他大城市都在用它来使河水看起来更清澈，味道更好。

到19世纪末，科学家们发现过滤也使水更安全，因为过滤阻止的颗粒有助于传播导致水传播疾病的微生物。过滤的价值在1892年得到了证明。当时，从易北河获取饮用水的汉堡市爆发了霍乱，造成7500人死亡，而邻近的阿尔托纳市也同样如此河被过滤，几乎毫发未损地逃脱[来源:豪氏威马和伍德]。

但最近，研究人员已经想出了如何在沙粒上涂上氧化石墨来制造“超级沙子”，据报道，这种沙子可以过滤水中的有害物质，比如汞，效果是普通沙子的五倍沙子。研究人员仍在继续寻找方法，使超级沙子吸收更多的污染，并最终在水供应受到严重污染的发展中国家使用。科学日报]。

如果你看过20世纪40年代的电影黑色喜剧《砒霜与旧蕾丝》(Arsenic and Old Lace)，在这部电影中，一对好心的老处女主动给孤独的老人喝了掺了砒霜的接骨木酒，让他们摆脱了痛苦，你就会知道后者是相当糟糕的东西。砷污染饮用水后，会导致膀胱癌、肺癌和皮肤癌，还会损害神经系统、心脏和血管[来源:国家资源保护委员会]。

不幸的是，今天发展中国家有近1亿人暴露在砷含量极高的水中，他们负担不起美国使用的复杂、昂贵的净化方法来去除砷。然而，一项新技术可能会提供一个解决方案。蒙茅斯大学(n.j.)的化学教授Tsanangurayi Tongesayi开发了一种廉价的除砷系统，该系统将普通的碎片切碎塑料饮料瓶上涂有半胱氨酸一种氨基酸。当塑料片加入水中时，半胱氨酸与砷结合，将其去除，使水可以饮用。在测试中，他能够将含有20十亿分之一危险砷的水降低到0.2十亿分之一，这符合美国环境保护署的标准[来源:科学日报]

在贫困国家，人们负担不起建造昂贵的水处理厂，他们有时依赖于一种免费的资源——阳光。来自太阳的热量和紫外线辐射的结合将会

消灭大多数导致腹泻的微生物，这种疾病每天夺走非洲4000名儿童的生命。一个复杂的问题是:为了使这个过程起作用，水必须是清澈的，这在农村地区是一个问题，人们从河流、溪流和井中取水，这些水产生的水充满了悬浮的粘土颗粒。

但密歇根理工大学材料科学与工程副教授Joshua Pearce和安大略省皇后大学的同事Brittney Dawney有一个解决方案。在2012年发表在《水、环境卫生和个人卫生促进发展杂志》(Journal of Water, Sanitation and Hygiene for Development)上的一篇文章中，他们提出了一种太阳能消毒方案絮凝，其中有少量的表盐加到水中，把粘土抽出来。虽然由此产生的饮用水含盐量比美国人习惯的要高，但它的含盐量仍然比佳得乐少。“我自己也喝过这种水，”皮尔斯在接受采访时说。“如果我在一个没有干净的水的地方，我有腹泻的孩子，这可以挽救他们的生命，我一定会用它，毫无疑问。”科学日报，唐尼和皮尔斯]。

对于发展中国家的旅行者来说，接触不安全的水可能是一个很大的风险。如果你能把一根魔杖浸入水中并净化它，那不是很好吗?现在，你可以。缅因州一家名为Hydro Photon的公司推出了一款名为SteriPEN的手持设备紫外线根除致病微生物。该设备采用了与瓶装水工厂相同的净化技术，但它被小型化了，所以它的重量只有6.5盎司(184克)，可以装进一个背包。将其放入一升溪流或池塘水中90秒，瞧，它可以安全饮用了。石头]。这种便携式水净化系统可以消灭细菌、病毒和原生动物，如贾第鞭毛虫和隐孢子虫，这些细菌、病毒和原生动物会导致疾病[来源:纽约时报]。

SteriPENS的最大市场是背包客和旅行者，但美国军方也在使用。SteriPEN还将一些设备捐赠给了必须在远程工作的狩猎管理员荒野没有自来水供应的地区[来源:石头]。关于紫外线净化的一个警告:混浊的水必须先进行预过滤，以去除悬浮的颗粒。疾病控制和预防中心]。

在发展中国家，过滤器是一种方便、廉价的净水方式。但是，弗吉尼亚大学的非营利人道主义组织PureMadi(“Madi”是南非奇文达语中的“水”的意思)提出了一种额外的易于使用的技术，只需浸泡在水中就可以净化容器中的水。Samarrai]。MadiDrop是一个小的陶瓷圆盘，大概汉堡肉饼大小，里面含有杀菌银或铜纳米粒子。纳米粒子它们基本上都是由科学家专门设计的非常非常小的物体，它们作为一个整体运行[来源:Samarrai，Mandal]。

该项目的领导者之一、土木和环境工程师詹姆斯·史密斯(James Smith)表示，与PureMadi已经在非洲工厂生产的大型陶瓷花盆过滤器(见第一页)相比，MadiDrop更便宜、更容易使用，也更容易运输。一个缺点是，MadiDrop不能去除使水浑浊的悬浮颗粒。因此，理想情况下，用户将把水经过两步净化过程，首先使用花盆过滤器去除沉积物，然后用MediDrop根除微生物。Samarrai]。

我们中的许多人可能认为藻类是我们必须时不时地从鱼缸里清理出来的恶心的东西，但它们也可能对健康构成严重威胁。被称为蓝藻的蓝绿藻大量繁殖，在世界各地的淡水和咸水中都有发现。它们会产生毒素毒素这些物质很容易被饮用、游泳或沐浴在被它们污染的水中的人摄入。一旦微囊藻毒素进入你的身体，它们就会攻击你的肝细胞。这显然不是你希望发生的事。

不幸的是，传统的水处理方法，如砂过滤和氯化，并不能消除这些微小的威胁。这就是为什么苏格兰罗伯特戈登大学的研究人员开发的一种新的净化方法如此有希望。研究人员已经确定了10多种不同的细菌菌株，它们喜欢将微囊藻毒素作为午餐，并能够代谢它们，使它们分解成无害、无毒的物质。如果藻类-将杀手细菌引入水源，它们应该能够去除微囊藻毒素，使水在不使用任何潜在有害化学物质的情况下安全饮用[来源:科学日报]。

我们已经提到了一种创新的新设备，MadiDrop，它利用银或铜纳米颗粒来杀死细菌。但纳米技术——也就是一种非常非常小的物体和结构的工程技术，比人类头发的宽度还小——在帮助清洁世界饮用水方面有更大的潜力。印度D.J. Sanghvi工程学院的研究人员表示，这种过滤器是由碳例如，纳米管和氧化铝纤维不仅可以去除沉积物和细菌，甚至可以去除砷等有毒元素的痕迹。

使用纳米过滤器因为它们比传统的水更高效过滤系统，而且不需要那么大的水压。但即使它们的孔隙比传统过滤器小得多，它们的流速也差不多，甚至更快。科学日报]。

在麻省理工学院，研究人员甚至在考虑使用纳米技术进行海水淡化。他们正在试验用薄片石墨烯这是一种只有单原子厚度的碳，用来过滤海水。有了纳米技术，就有可能制造出充满微孔的薄片，只有十亿分之一米厚，可以阻挡盐颗粒，但允许水分子通过。钱德勒]。