船用海水淡化——水质平衡与饮用安全

第1章 绪论 在人类生存和生活中，似乎没有什么比水更常见又更重要的了。水*重要的作用是饮用。究竟什么样的水适合长期饮用，是一个值得认真思考的问题。水是自然界的主要组成部分，水自然而生，水自然循环，世界因水而变得美好，人类因水而得以自然延续和健康长寿。但是地球上可供饮用的水越来越少了，人工生产饮用水越来越普遍。人工生产饮用水主要有对淡水或海水进行净化、纯化、淡化等方式，对地表淡水中杂质的净化或更严格的纯化，形成常见的“纯净水“，对海水进行淡化形成“淡化水”。纯净水或者淡化水是适合我们正常生活的饮用水吗？饮用水是不是需要水质平衡后再进入人体？用什么方法达到饮用水水质的平衡和安全？ 这些都需要全人类的考究。 1.1 引言 人类早期依淡水水源地而居，很少居住在缺少淡水的地方，后期的迁徙也与干旱缺水或水源地受到污染密切相关。可以想象的是，人类诞生和人群扩大的地方的水资源是适合人类生存的，是“*好的水”，可惜这种景象被历史的脚步以及地球本身的生长轨迹覆盖而变得模糊，人类开始在越来越高的山涧、越来越深的地下河流、越来越远的溪流取水，似乎找到好水越来越困难了。水是一种自然物质，既是地球成长、变迁的一个*主要组成部分，又是一个整体，同时又是有生命的。亿万年来，水遍布地球每个角落，遍布每个生物体。地球是由空气、水、岩石、生物四个圈体组成的平衡体，水也处在平衡—平衡破坏—再平衡的循环往复和发展中。 人们已经大致认识到水的循环过程是“蒸发—下雨（雪）—沉淀、渗透、过滤—地表水 + 地下水”，但是生存竞争压力已经让人们等不及水的自然循环了，人们开始迫不及待地对高山之水、地下之水、千年之水进行挖掘利用。 水本身具有多重特性，水的结垢和腐蚀是日常生活经常碰到的现象，对一种材料来说，在一个温度条件下水有一个平衡点—既不结垢又不腐蚀。人体也是一个平衡体，去掉许多物质的水肯定要有一个平衡的过程，而在哪个过程获得平衡，需要研究海水淡化技术和利用的工作人员去思考和回答。 1.2 生命的起源与水 1.2.1 水与生命之源 关于生命的起源，现在学术界还处在不断的研究和争论之中，长期以来就有唯心主义和唯物主义两种不同的认识。唯心主义的观点，包括生命是由神创（如上帝创造）和生命是超然于物质存在的精神力量的表达两种不同的解释。根据这个观点，生命起源是一个没有必要提出也没有必要进行研究的问题。唯物主义的基本观点是生命不是物质世界原本就存在并永远如此存在下去的，生命有一个产生和发展的过程，这个过程有其自身的规律，是可以被人们认知的。但无论是唯心主义还是唯物主义，对生命存在的必要条件的认知一致的内容有：一是适合生物生存的温度，一般应在？50～150℃；二是必要的水分，生命物质如蛋白质、核酸的活力都和水紧密相关，没有水，也就没有生命；三是适当成分的大气，虽然已发现少数厌氧菌能在没有氧气的条件下生存，但氧气和二氧化碳对于生命存在是极为重要的；四是要有足够的光和热，为生命系统提供能源。 地球上一切生命*古老的共同祖先，**个能够复制自身的原始细胞，是由构成宇宙间98%物质的氢（H）、氦（He）、碳（C）、氮（N）、氧（O）、氖（Ne）六大元素组成的。目前科学家对地球生命形成的普遍共识是：大约在38亿年前，地球首先形成了很长的核糖核酸（RNA）分子的分子链，到了36亿年前，这些能形成很长分子链的RNA发展成为脱氧核糖核酸，即DNA。生命主要就是从DNA发展出来的。关于生命起源的学说，主要有起源于淡水、海底、太空和陨石之说，其中起源于淡水和海底的两个学说都与水有关，是*被大众认可的。 生命起源于淡水。美国加利福尼亚大学科学家的一项试验研究得出了惊人的结论—地球生命起源于陆地淡水池塘。他们研究发现，对于早期生命来说，淡水比咸水更适宜生存。生命的*初形态是一种被称为囊泡的薄膜，里面含有具备自我克隆能力的化学物质。这种囊泡是DNA的“远祖”。科学家利用地球早期化学物质（碳氢化合物）在淡水中成功合成了囊泡，但咸水中的NaCl、镁离子或钙离子会使薄膜分离。地球早期海水的盐度为现今的两倍，这使得生命细胞难以形成。生物进化论的代表人物达尔文早就认为生命起源于淡水池塘。他在几封私人信件中写道，原始生命的诞生地是一些富含氨和磷盐等物质，并且光、热、电作用比较活跃的小池塘。 生命起源于海底。德国杜塞尔多夫大学的威廉 马丁与英国格拉斯哥环境中心的米歇尔 罗塞尔等提出，生命*初是在海底含有硫化铁的岩石空腔中产生的。他们认为，在狭小空间内聚集的氢气、氰化物、硫化物和二氧化碳及其他生命体起源所需物质，*终发生化学反应，并形成了*原始的有机体。 2002年，德国雷根斯堡大学的科学家在冰岛北部大西洋火山区约120m深处的海底发现一种微小细菌（称为“骑火球的超级小矮人”），其体积相当于大肠杆菌的1/160。它是有史以来人类发现的*小生命体。这一发现对研究生命起源有重大科学意义。2005年，德国生物化学家克里斯托弗 比伯里切尔等通过冰冻海水试验，培养出具有400多个链条的RNA分子链，此前培养出的*长的RNA分子链只有15个链条。这个数目已经足够让RNA自我复制。 另外，目前一些已经在？150～？80℃的低温下存放1年多的试管，为生命起源的奥秘提供了另一种可能：生命有可能起源于冰冷的海水。 地球是迄今人类发现的唯一一个存在生命的星球，现在人类还在不断地探索其他星球存在生命或者适合于生物生存的可能性，这种可能性*突出的标志就是是否有水存在。可见，水在生命起源和塑造环境的过程中起到了至关重要的作用。 1.2.2 水圈与地球结构组成 原始地球既无大气，又无生命。地球形成之后，地球的物质产生了分异作用，使地球逐步分出了不同的圈层。地球内部的密度、压力和温度，都随着深度的增加而增大。地球初始物质（球粒陨石等）因局部熔融、分异作用，形成了不同物质的圈层。地核（距地表6371km）是由非常致密的铁镍、陨铁硫物质组成的。其密度比钢铁还大，压力超过300万MPa，温度高达4000～6000℃。介于地核与地壳之间的地幔，也称为中间层（其厚度约2900km），其密度与整个地球的平均密度接近，以橄榄岩和玄武岩为主。地壳（较轻的硅铝质和硅镁质物质）是地球*外面的一层，其厚度各地不一，海洋中*薄的为5～6km，大陆*厚的地方有70～80km，平均值约33km。地球除了内部这三个圈层外，还分异出了水圈和大气圈。水圈包括地球上海洋、江河、湖泊、湿地、冰川和地下水，约占地球质量的0.04%。地球*外面的一层气体就是大气圈，范围从地面到高空1000～3000km。地球上的水和空气，给生命诞生和发育提供了条件，于是地球上又形成了一个丰富多彩、生机盎然的生物圈。 有的学者也把地球外部的三大圈层和地球内部的岩石圈一起合称为地球表层的四大圈层。岩石圈、大气圈、水圈和生物圈一起构成地球的生态系统。人类生活在地表，也就是岩石圈的顶部，大气圈和水圈是地球生命生存的基础条件之一，生物圈是四大圈层系统中的主体和*活跃的因素。大气圈和水圈可能是由普通球粒陨石类物质构成的原始地球“表层”释放的气体形成的，其中水汽成分凝结降落形成了原始水圈。原始大气圈和原始水圈经过长期演化，特别是经过生物作用后才形成了现今的大气圈和水圈。原始大气圈和水圈形成之后，在它们与岩石圈的接触地带，无机物经化学演化形成有机物质，生命从无机界中产生出来，经过长期的进化形成了现今的生物圈。大气圈、水圈和生物圈，是互相渗透的，也是互相重叠的。人类社会的进步，主要标志是如何利用和改造岩石圈，从现在和将来发展的观点来看，四个圈体相互渗透的趋势越来越明显。 关于水环境的形成，地质科学家普遍认为，当46亿年前地球形成的时候，它是一个岩浆球，当时存在着大量的活火山。这些火山不断喷发，岩浆携带着水蒸气散布到地球各处。当岩浆冷却后，水蒸气就凝结成雨水，降落到地球表面。这样就开始了水的循环。水流向地球上的凹地，于是就形成了湖泊、江河、海洋。数百万年后，在海洋中聚集了产生生命的化学物质—甲烷、氢和水。 据估算，地球拥有逾140万Mt水，其分布状况大致是：海洋占97.23%（约1.37×1018t），两极冰川占2.15%，陆地（含地下水）仅占0.62%—这是人类真正的储备用水（其中江河占0.24%、湖泊水占0.1%、地下水占0.22%、大气中含有0.05%的水，而土壤中的水仅占0.01%）。 这些水一直在地球上流动、循环，它维系和保存了自然界的一切生命，人们在21世纪的今天仍享用着6500万年前的水。 1.2.3 一方水土养一方人 人是大自然的一部分，既受赐于自然，也受制于自然。地理环境作为人类繁衍生息的物质基石，一方面，它通过物质资料生产方式及其技术系统等介质深刻地影响着人类社会、上层建筑；另一方面，它直接影响民族性格，造成文化的差异。在人与自然的关系中，水作为生命之源和自然环境中不可或缺的组成部分，在人类的起源、进化和文化创造中扮演着极为重要的角色，不同国家、地区和民族所彰显的不同文化特质，无不打着水影响和塑造的深刻烙印，正所谓一方水土养育一方人，一方水土孕育一方文化。也可以反过来讲，经过长期进化的各地区不同人种对水的要求和需求也是不一样的。 地域文化是以“历史地理学”为中心展开的文化探讨，其“地域”是文化形成的地理背景和约定俗成的历史区域。在中国，地域文化一般指特定区域内，在人与自然环境（如气候、地貌、水文、植被等）互动基础上形成和发展起来的源远流长、独具特色、传承至今仍发挥作用的文化传统。虽然地域文化是不断发展和变化的，但在一定阶段具有相对的稳定性。社会与自然的联系以劳动为介质。地理环境经由物质资料生产方式这一中介，给各民族、各国文化类型的铸就奠定了物质基石。德国哲学大师黑格尔在《历史哲学》中将自然环境对人类社会的影响归结为三个方面，即：对生产方式、经济生活发生作用，对社会关系、政治制度发生作用，对民族性格发生作用。为此，他还针对人类所处的地理环境的不同，划分出高原游牧文化、大河农耕文化、海洋工商文化三大类型，并提出了著名的“温带文明发生论”。 事实上，地域文化的形成离不开两个主要因素，一是自然环境，二是人文环境或社会结构。正所谓“古今沿革，有时代性；山川浑厚，有民族性”（黄宾虹《九十杂述》）。中国自春秋战国以来形成的各具特色的区域文化，如黄河流域的三秦文化、三晋文化、中州文化、齐鲁文化，长江流域的巴蜀文化、荆楚文化、吴越文化等，都是区域自然环境与人类文化在特定的时空内发展起来，是自然和人文共同作用下逐渐形成和发展起来的。讨论水环境与地域文化的关系，不仅要有量的探究，还要有状和质的考量—因为它们对人的品性和体貌乃至健康都有潜移默化的影响。“状”就是水的形态，是线条的江河还是块状的湖泊，是动水还是静水，是深水还是浅水，是湍急还是舒缓，是雄浑还是秀美。“质”就是水的质量，包括水体的物理（如色度、浊度、嗅味等）、化学（无机物和有机物含量）和生物（细菌、微生物、浮游生物、底栖生物）特性及其组织状态。 关于水环境对人们习性、体貌的影响，中国古代先哲很早便注意到了，并不乏精当、深刻的见解。《管子 水地》在提出“水者何也？万物之本原也，诸生之宗室也，美恶、贤不肖、愚俊之所产也”的命题以后，还将战国时期各诸侯国的水态、水质状况与国民的习性、品德等对照起来，为自己的论点张目，论述了齐、楚、越、秦、晋、燕、宋诸国水态水质的差异对当地百姓品性产生的重要影响，这是我国古代早期论述水性与人性关系的作品。《吕氏春秋》说：“轻水所，多秃与瘿人；重水所，多尰与躄人；甘水所，多好与美人；辛水所，多疽与痤人；苦水所，多尪与伛人。”其认为水之轻、重、甘、辛、苦的不同，对人体的形貌和健康有直接的影响。 水质对人健康影响很大，这种说法已被现代医学所证明。据世界卫生组织调查，人类疾病的80%与水质