纳米技术与水资源开发，本文主要内容关键词为：纳米技术论文,水资源论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
水的严重匮缺已导致了地球生态环境的严重失衡，在阻碍社会文明发展的同时，对人类的生存发展构成了巨大的威胁。因此，水的问题格外受世人关注，已上升到迫在眉睫的紧要位置。在未来利用高新技术特别是新一代海水淡化技术解决缺水问题，将是必由之路。
一、水资源问题应统筹解决
我国传统水资源总量为28100亿立方米，人均占有不到2200立方米，仅相当于世界人均占有量的1/4，是水资源相对缺乏的国家。到2015年我国人口将达到16亿峰值，人均资源量仅为1700立方米，加上气候变化、冰川退化、海平面上升引发的海水倒灌，传统水资源还会进一步萎缩，将越过世界公认的缺水警戒线，如不开发新的水资源，工农业生产基础条件与生态环境将进入恶性循环。
考虑到保障生态良性的发展还需要更多的水资源，16亿人口生活质量提高将带来的水资源耗费增加，信息化与交通高速化使人类居住分散也将成倍增加耗水量。这样人均水资源量是不能少于2300立方米的，16亿人口将人均缺水600立方米，共达9600亿立方米。
这样大的水资源缺口，绝对不是可以靠南水北调、网络化管水、节约用水和污水再生等方法能解决的。这并不是贬低上述措施的重要性，只是说上述措施的供给量仍无法满足实际需求。另外上述措施带来的水价大幅度上升，将促使整个社会运行成本大幅提高。
因此必须开发外源性水资源，从水资源拥有量这个根本上解决问题。其发展方向是：海水淡化、“天水”资源开发与境外水资源利用。
还应看到，水资源是人类生存的基本条件中最重要的一环，当前生态环境不断恶化的趋势，并非只是工农业生产的发展造成生态负荷过重，以及环境保护的认识与治理的力度不够等原因，而是国家与社会对生态问题欠缺整体的认识与综合治理方法。生态环境恶化的三大主因，也是需要统筹解决的难题是：能源结构不合理；水资源的管理、使用与开发不合理；荒漠化的防治跟不上。其中环保型能源的开发与荒漠化的防治都离不开水的耗费，水资源成了解决生态问题的重中之重。
二、纳米技术带来的契机
水资源问题是个时代性课题，探讨其解决方法与相关技术方案要充分考虑科学技术的发展，要有足够的前瞻性和启迪性。特别是国家或地区性重大工程往往其论证设计要历时10年，建设施工周期为5-15年，其立论的技术依据不应只考虑成熟的现有技术。由于今后的科技发展将成指数率模式增长，未来10年产生的新科技总量将超过2000年之前的总和，如果没有足够的前瞻性，有些重点工程建成之后将成为食之无味、弃之可惜的鸡肋，目前某些国家重大工程已充分显示出这种趋势。
21世纪信息、生命、纳米三大科技将成为主导产业革命的制高点，而信息技术与生命科技的发展又将得益于纳米技术的发展与突破。因此，21世纪初最重要的支柱性应用技术将是纳米技术，它将在历时20年的开发与普及周期内，从根本上改变60%以上工业制成品的质与量，从而改变人类的基本生活方式。
纳米是10个氢原子排列之长的公称尺度，但它也是一代新科技的代名词，也是产业升级的新概念。由于纳米技术的潜力巨大，因此它也将有效应用于解决水资源短缺这一世界性难题，而且将会起到决定性的作用。下面讨论纳米技术在水资源开发应用中的创新思路的主线，由于目前尚处于初步论证阶段，可将其理解为将要实现的创意性的预言。
三、纳米技术与海水资源开发
海水淡化技术已发展了60余年，其主流技术为MSF多级闪蒸、MED多效蒸馏、VC压气蒸馏、ED电渗析和RO反渗透。最近又有了更高效的高压喷雾蒸发法RSD，当然还有这些方法的复合应用模式。由于海水淡化的主要技术焦点在于能耗与产量的效费关系，故此，用于海水淡化的能源技术显得更为重要，而且更具有降低淡化成本的潜力。
1.蒸发法海水淡化。由纳米材料技术实现的稳定工作的超高压喷水设备用于海水超细喷雾；在高热工作釜内被立即汽化的晦水进而冷凝成淡水；在冷却这些高压蒸汽的过程中，再采用多效蒸馏的方法再次淡化一批海水。成为高效的RSD与MED复合蒸发的海水淡化技术，其每吨淡水综合摊入成本将低于1元人民币。由于可采用高性能的新型纳米结构材料，其设备投资也将大幅降低。
2.膜过滤海水淡化。用纳米改性并细微化处理的高分子材料制成中空纤维组件，其组件为高密度渗水点的纳米材料过滤膜，可高效快速脱除海水内含离子。由于是在特殊的物理场条件下工作，压力将小于0.06Mpa。由于可采用深层海水上浮提取和纳米材料抑菌等技术，膜元件可长期使用。能耗与材耗的降低，将使粗淡化的海水成本低于0.6元人民币一吨。主要用于供应农业和城市的绿化，由于农业用水是水资源耗费的主流，农业用水解决了，地表淡水和地下水可用于解决工业和城市生活用水。
在淡水特别缺少的地区，可将部分粗淡化海水用电渗析或反渗透法高效处理成高质量饮用水，这种模式可使社会总体投入有效降低。电渗析与反渗透膜材料也将采用纳米技术增强与减厚；提高渗水质点密度和抑菌抗生物附着等。
3.理想的海水淡化产业模式。未来海水淡化工厂将由专业的造船厂批量生产，是系列化、规格化和模块化的浮动平台，它们的总造价将比在岸上施工建厂低60%以上，建造速度快数倍。建成的模块可按生产规模之需来选型配套，拖到所需城市的近海进行拼装，快速建成大型海水淡化浮动基地。这种多模式组合平台还可用于出口创汇。
四、纳米技术外部水资源的开发
1.外水内引。中国有四条主要的大江大河流向国外，它们是雅鲁藏布江、怒江、澜沧江和狮泉河，这些河的下游是恒河、萨尔温江、湄公河及印度河，它们每年都会洪水泛滥，给下游国家的人民带来灾难。如果在国内上游修建大型水库，将洪涝期的部分水储存下来，再按需求有节率的调往各水系，对国内外的人民来说都是双盈的。将为中国提供3800亿立方米水资源，还会提高我国对周边国家的威望与制约能力。
由于这些水源全部在青藏高原上，施工难度非常之大，过去和近期不能提到议事日程上来。如果有了纳米高能爆炸材料，它有巨大的爆炸能量却没有剩余污染，在人烟稀少的西藏正好派上用场，用它移山填壑，定向筑坝截流，以求施工进度快，成本低、省人力，将使这些划时代的世界顶级工程成为可能。可沿雅江大拐弯向东一线，同时修建澜沧江、怒江和雅江三个大坝，并将三个水库连通，可从三江同时调水到唐古拉山东坡，利用山势向东北方向分别引水到长江源和黄河源，以实现在枯水期向这两条母亲河调水。
在狮泉河适当之处修坝，向北打通昆仑山将水向北引入和田河，可有效改善新疆地区的生态，加上利用的塔克拉玛干沙漠的地下水资源，可使中国最大的沙漠出现连片的绿洲，成为中华各民族的生存新空间。
这些水资源引向内地时拥有3000米以上的势能高差，是世界上最大、最集中的水能资源，可建造十余座串联的大型水电站，总装机容量可达1.6亿kw。由于这一地区不适应发展大规模工业，而远距离高山输电工程，投资极高，电力损失也大。可将这些电能用纳米技术制成氢（1/6电解水制成氢能耗），再用纳米材料制成固态储存块，通过青藏铁路输往内地，用作清洁的汽车能源，可驱动一千余万辆汽车。我国的氢燃料电池汽车已研制成功，并且是世界技术领先，如能实现产业化，形成未来的环保汽车市场，这些纳米氢正可派上用场。纳米技术还可在全国污水处理厂生产氢，这些氢能源足够供给全国的机动车、船舶、飞机使用。
2.改善气候。冰川、热带雨林和海洋是地球生态的三大支柱。我国的冰川退化问题十分严重，除了人类活动形成的温室气体因素之外，主要是喜马拉雅山的不断抬高隆起挡住了印度洋暖湿气流，使西部降水量越来越少，生存环境不断恶化。长江黄河的水流量也因冰川退化而逐年减少，近期长江水已少到难以通航的地步。由纳米高能爆炸材料可提供巨大能量，适当改造青藏高原的地形，引入印度洋的季风不失为从本质入手解决难题的良策。过去的这种说法被称之为“狂想”，如今因纳米技术将使其具有可行性。将会有益于恢复高原冰川，增加江河水量，并有效增加西部地区的降水量，从而改善整个西部乃至东部的生态环境。从技术原理上讲，这个方案的实质是将国外的云水资源调往国内，从改良气候入手，解决缺水与荒漠化的问题。
3.东水西调。霍有光教授提出的将渤海之水西调到“三北”沙漠地区，不失一个外水内输，增加水资源总量与根治“三北”地区荒漠化的良策。如果能在沙漠地区形成大面积的盐沼地带，将有效地改善这些地区的生态。在沙丘地段形成丘顶无水丘下环水的湿地；在戈壁地段形成人工条带状湿地；可形成生物多样性的良性生态地区，最少也会减少荒漠扩展和风沙扬尘的危害。
在纳米技术广泛应用时代，调往西部的海水可以淡化成为淡水，使这些最缺水的地方拥有水资源可开发。建议从辽河口地区调水，以减少含盐量。还可利用低阻高效纳米膜材料脱去水中的部分盐份，少量增加成本而进一步降低含盐量，以求在人工湿地形成大范围苇草和碱篷等植物生长地带，加上部分水生植物共同混配加工成为牛羊的饲料源，苇杆还可成为优质的造纸原料。
纳米粘土塑料加上纳米减阻涂层制成的输水管，纳米材料阻“渗水工布”，纳米玻璃钢水泵和阀门部件等将成为极耐盐蚀的工程器材。由纳米材料改进的大型风力发电机，其投资效费比将优于目前的火力发电，在多风又无电网的沙漠地区，将成为主要调水动力源。这一切都将增加“东水西调”的现实性和可行性，并从根本上降低水成本。
五、纳米技术天水资源开发
“天水”是个新概念名词，由我提出，是指天空中蕴含的天然之水，有天然之水天上来之意。包括三个部分，分别是云水资源、露水资源和墒水资源，将是可大力开发的一类外源性水资源。
1.云水资源。人工增雨技术已应用许多年，目前的增雨剂主要为碘化银粉沫，用飞机、高射炮及火箭播散在云间，形成集水晶核可加速降水，以增加下风地区的降水量。但大规模长期的人工增雨将受到银资源短缺和重金属污染的双重制约。
大海蕴藏着丰富的碘资源，纳米技术可生产海藻生物碘增雨剂，还可生产纳米多孔材料储碘增雨剂。由于它们的粒度极小，使单位重量内含的颗粒数比碘化银高两个数量级，可形成更多的集水晶核，将有效提高增雨效率并大幅降低成本。
为了更好地推广应用纳米增雨剂现已设计出更有效的施播方法。由纳米人造橡胶制成气球，内置防燃氢氦混合储气管，下装外填纳米增雨剂的云爆管，由定时点火管控制升空高度。在地面机动探云雷达的指引下，大量人工布阵施放。可低成本地高效增雨，该技术还可用于防雹，可广泛应用于西部开发和沿海缺水城市解决干旱问题。
另外，用纳米材料“水工布”制成可快速安装的小水窖套材，用于收集储存这些雨水，将有效提高云水资源的利用程度。
2.露水资源。空气中含有水分人所共知，在农业生产用水较多的季节，大多数的夜晚多会因降温而结露。古代有铜制的承露盘为帝王接药引之水；现在有南美和非洲沙漠地区的人用塑料网集露解决饮水问题。实际上，地球空气中含的水分，比地球上的地表淡水和地下淡水的总量要多若干倍。
纳米技术时代，用纳米技术织成极轻薄、高强度、耐老化的丝网；内含抑菌纳米材料以抗生物附着；内含纳米亲水材料使之更易于结露。用树枝架挂在田地间，张挂在果树下，每天每平米可收集露水60-600毫升，滴渗在土地中，可实现不灌溉或少灌溉。当然它也可广泛用于提高植树造林成活率；可制成彩色网用于城市绿化节水，并附带美化效果。该技术的低成本和易推广性将会在未来大行其道，在某些地区还可用于解决生活用水短缺问题。
3.墒水资源。墒情是农业用水的重要概念，抗旱保墒是农业生产的常见措施，它就是农田土壤中的含水量。保水剂被人们称为固态水，已开始用于农田的集水固墒，但因其价格高而难以大面积推广，它通常由淀粉和丙烯酸聚合成树脂材料，可吸纳500倍的水并储含其内逐步缓释，有极佳的保水保墒效果。
可采用纳米破碎技术直接加工海藻或马铃薯与丙烯酸聚合，制成低成本的保水剂；并添加纳米抑菌材料防生物侵害，以延长使用寿命达30年以上；添加纳米亲水材料使之具有吸收水汽作用，并增强缓释作用；将成为新一代固态水资源。可用于农田节水、集水保墒；用于治理荒漠的还林还草；用于三北防护林（特别是高山缺水地区）的建设和速成；更可用于城市绿化工程，与集露网共用于城市楼顶绿化等。它的广泛应用还可有效提高地层中水分的含养量，成为保护生态防治荒漠化的实用技术。
六、纳米技术将有效提高人类的生活质量
大海是地球一切生命的造物主，为陆地生物多样性和生态循环提供了物质基础与原动力。人类的活动打破了生态平衡，形成了目前的生态环境危机，单纯依靠陆地上的资源已无从解决这一危机。而海洋资源尚未被人类充分认识和合理利用，因此解决陆地上生态问题最可行的方法是向大海索取资源和能量，而且只有占地球70%面积的海洋有能力提供这些宝藏。为什么说21世纪是海洋世纪，从上述提示中可得到印证。
纳米技术的长足发展将是人类进一步征服自然的契机，有了纳米技术将有效解决三大生态难题，可以预盲：人类将不会缺能源，而且是无生态负荷的洁净能源；人类将不会缺水，而且可进一步利用人工增量水资源去优化生存环境；由于有了强大而廉价的能源和足够的人工增量水资源，荒漠化的问题也将得以缓解。
关注纳米技术的发展，共同利用这一高新技术平台促进我国的水资源开发。