太陽能淡化海水？！且看印度久旱逢“甘露”。

【圖注】：一個住在Chellur的婦女牽著她的兒子，提著從當地脫鹽凈化處理廠買回來，經過反滲透處理的一桶飲用水走回家。

材料牛注：高鹽量飲用水嚴重危害印度村民身體健康，而科學與企業的緊密合作，克服環境與地域文化特殊等困難，反復的設計和改進將給印度村莊提供安全優質的“太陽能飲用水”系統。

在Chellur這個有著獨特古建筑，美得恰到好處的城市里，燥熱的空氣中卻充滿了沙塵，Shehazvi不得不瞇著眼睛穿過烈日下的城鎮郊區，穿過回蕩著汽車和摩托車轟鳴聲的熾熱地面。她和她女兒下了面包車，沿著小路走回家，此時的車費比早上便宜了200盧比，這是她每次帶女兒去看胃病開銷的一部分，而胃病的罪魁禍首，自然是含鹽量過高的飲用水。馬薩諸塞州總醫院的心臟病學家Maulik D. Majmudar說：“與食用時長無關，含鹽量攝入過高總會危害身體健康。”但在印度的小村子里，既沒有穩定的供電系統，也沒有可以買到瓶裝水的雜貨店，更沒有可供當地居民使用的安全飲用水水龍頭。

一、凈化水質困難重重。

Shehazvi是Mhasawad當地的老師，居住于印度馬哈拉施特拉邦，該村子沿Girna河分布大約有8400人，她不忍心看著女兒因飲用含鹽飲用水而痛苦，最近開始到反滲透處理工廠用30%的工資購買凈化處理過的飲用水，這種飲用水比未處理水的含鹽量降低了75%。她說：“喝了被污染的飲用水后女兒長期胃痛，我必須不停地帶她去看病，但看病的開支過大，我只能買處理過的飲用水，喝過凈化水后她就不會胃痛了。”盡管可以過濾掉細菌和過多鹽分，有利于身體健康，但當地的大部分居民還是無法承擔反滲透飲用水的開支，數千的居民依然喝著含鹽量為1200ppm（ppm：質量濃度，即指每千克水中含有百萬分之1200千克的鹽，下同）。據悉，世界健康組織推薦的飲用水含鹽量等級低于600ppm，而美國的馬薩諸塞州坎布里奇市的飲用水，即使在含鹽量最高的時候也不會超過350ppm。Shehazvi說：“每個人都想喝干凈的飲用水，但無奈買不起，我每月工資只有2000盧比，買這個飲用水作為日常開支還是有點窘迫。”如果低收入人群買不起凈化水，他們肯定也無法承擔因飲用含鹽水，以健康為代價接踵而至的醫藥費。正如一個當地居民所說，他每年大約花費20000盧比治療他的腎結石。無獨有偶，在當地最為關注孩子們身體健康狀況的是農村教師，據反映，消化不良和胃痛常常會使得孩子們無法正常上課，甚至嚴重的時候老師們不得不在上課時間把孩子送到醫院。

二、聚焦凈化方法。

為了在印度農村設計一個實惠有效的飲用水凈化系統，在機械工程部工作的教授Amos Winter，博士Natasha Wright，以及一個來自Winter's GEAR Lab的研究員和來自麻省理工塔塔中心的同事加入了研究，這是他們首次采用與當地居民面談的方式深刻了解這個問題。Winter說：“在當地，每隔6個月我們會試著找出社會學影響科技領域的因素，我們順著生產設計，機械設計，人種志學和社會科學等理論進行思考，然而這些因素聚集在一起就會使我們想出來的解決方案毀于一旦。”

Wright在2012年8月到加爾崗旅行時遇到了Jain灌溉系統的工程師們，他們所謀職的公司正籌備一個系統，希望能為印度的貧困村落提供安全實惠的飲用水。該公司計劃籌建一種可以清除生物污染的家用飲用水系統，恰好Wright的前兩次旅行都在研究當地市場已使用的系統及其工作機理，他們此行的目的不謀而合。Wright說：“通過詢問村莊里的部分女性，男性和一些家庭，我注意到清除生物污染的凈化系統雖然已經安裝在很多村民家，但不會經常使用。我想要找到像過濾器那樣能夠改善水質，減少疾病的處理系統，因為我知道每個人都受到含鹽水的困擾，他們說飲用水除了難喝以外，還會在他們的瓶子杯子中留下沉淀，甚至會引發胃痛。”Winter補充道：“大家都認為，我們的研究重心僅僅是為了村民的身體健康，不得不說這是最為重要的，但村民習慣了喝免費的飲用水，突然讓一個人付錢就為了喝到凈化水這可能嗎？所以我們還應解決如何讓村民們飲用凈化水的問題。”Wright和Winter相信，通過設計一個實惠且可提供脫鹽飲用水的公用系統，就會讓那些寧愿喝被污染且高鹽分飲用水的窮人更愿意花錢繼續喝到凈化水。

三、沒有多余的飲用水，一滴都沒有。

【圖注】由Natasha Wright博士和Amos Winter教授設計的電滲析系統原型建于Jain灌溉廠。

這個問題不僅僅是能喝到水這么簡單，印度的很多村莊水井只有挖到50-70m的深度才會有水源。但印度的全年干燥炎熱，而且整個國家過度擁擠，有著全球第二（約為13億人）的人口數量，并在為期3個月的雨季里，這個國家幾乎與大雨絕緣，所以隨著人口數量的增長，人們對水的需求量也不斷上升，滴水貴如油，導致像Mhasawad的大部分地區都只能挖井尋水。但地表的水量取決于降雨量，不停地取用卻沒有及時補充使得地表干涸。人們只能挖更深的水井以獲取更多的水源，與此同時含鹽量通常也會隨著井深的增加而增加。所以在當地強調節約用水是毋庸置疑的，而使用反滲透凈化水系統凈化井水時會發生什么呢？反滲透凈化系統是利用一個高壓泵將水強力透過一個薄膜，使鹽分沉淀，而這個過濾水的過程要求更高的能量。那么問題來了，在第一次透過薄膜后，與單次凈化水分離的是濃縮的高鹽水。高鹽水要透過薄膜就需要相應的能量，而能量的耗費遠大于所得的凈化水，得不償失，所以廠商們會為了降低成本而停止第二次的過濾。因此，反滲透凈化系統在當地無法達到高過濾率，比如在Chellur，其過濾率達到將近70%，也就意味著在未凈化前有可能成為飲用水的30%井水就被浪費了。

四、引進太陽能電滲透系統。

在這樣進退兩難的局面下，他們不得不設計一個低耗能的系統。這是一個強大而艱巨的任務，并不是通過借鑒并簡化發達國家現有的解決方案就能實現的。

【圖注】來自塔塔工程項目公司的代表Nataraja向Wright展示了該公司現存的安裝于印度一個村莊的電能反滲透凈化系統。

他們開始尋求一個可以有效凈化村莊里高鹽量地下水的系統。鑒于當地含鹽量高達500-2000ppm的典型水質，采用電滲透將比反滲透少耗費25-27%的能量，甚至可以循環過濾超過90%的飲用水。電滲透在1960年被應用于商業，它是通過電力使井水穿過兩側相互交替的陰陽離子堆交互薄膜。向離子堆施加電壓時，水中的陰離子在向正極移動的過程中被僅能透過陽離子的陽離子交互薄膜阻擋，此時，鹽分就從水中分離出來，最后濃縮的高鹽量飲用水還能持續過濾，直到其濃度過大被收集于旁邊的蒸發罐中。Wright的這個系統還能利用紫外線清除水中的生物污染。由于不需要外力迫使水透過薄膜，該電滲透系統所要求的壓力和泵強都遠遠低于反滲透系統。并且因為目前他們不需要太多的太陽能電池板，所以太陽能也將成為另一種能量來源。研究者用太陽能取代電能，克服了印度區域電力不穩定的問題，同時降低了操作難度和資金消耗。由于電滲透系統使用的離子堆交互薄膜只需每10年換一次，不需要任何其他的過濾裝置，這就減少了因過濾和替換薄膜所帶來的維修費用。最主要的資金消耗將取決于他們是否能夠自己制造具有光電效應的離子堆，但他們對目標市場的一次性投資約為755000盧比，這就相當于目前該村莊用于反滲透系統的總電費。Bahdupet的當地政府每月有將近7600盧比的開銷用于反滲透系統的能量供應、凈化處理工廠的運作和替換暗盒過濾器的費用，商家不會有所損失卻也毫無收益可言。改用Wright的系統將降低他們每月一半的開銷，剩下的錢他們還可以繼續為城鎮或人民提供資金支持。

五、解決太陽能問題

設計，建造并測試了這個系統的原型，下一步將應用于村里，目前全村的人們仍在使用塔塔工程最初賣給他們的反滲透系統。他們和塔塔工程合作幫助這個公司擴大了村莊凈化水系統的規模，并有可能將目前使用的反滲透系統換成Wright設計的電滲透系統。Wright同時也發現了一些能讓這個系統更高效的方法，比如，在電滲透離子堆中使用交替結構。在她忙于解決凈化水問題的同時，她還在實GEAR驗室里工作，她和同事試圖優化太陽能與電滲透系統的結合效應，目前，太陽能面板上配有電池板以便儲存一天中額外的太陽能，但他們還在研究另一種的設計方案，該方案將使太陽能面板直接與電滲透離子堆相連接，實現24小時穩定供能。她說：“如果我們能解決這個問題，我們將有可能為250億仍在飲用含鹽地下水的印度人民提供更為安全且實惠的水源。”