海水淡化是一个全球性的人类问题
联合国儿童基金会报告说，全世界有超过 7 亿人无法获得安全的饮用水，每年有 30 万婴儿因受污染的水而死亡。确保清洁、稳定的水供应也是联合国 17 项可持续发展目标中的第六项。水问题也有超越健康的方面。例如，在国际海水淡化会议上发表的一篇论文表明，水资源的获取也与性别平等和教育机会均等有关，因为许多妇女和儿童被迫花时间从事取水的艰苦工作，许多儿童因担负挑水工作而无法接受适当的教育。全球只有几十个国家提供可靠、直接的饮用水供应，
与此同时，国际社会更加关注碳中和。一项相关的努力是在沙特阿拉伯和其他中东国家增加植被和保护海洋生物的计划，这些国家的可持续海水淡化技术目前和未来都必不可少。全球变暖导致的荒漠化以及人口和经济增长导致用水量迅速增加，正日益暴露出水资源面临的压力。全人类都需要通过更好的海水淡化技术来开发稳定的水资源。
通过改进反渗透膜降低成本
目前，主要的海水淡化技术以反渗透膜法为主。它利用反渗透的基本原理，使用具有无数微孔的膜，只允许水通过，从海水中去除盐分和其他物质，从而产生淡水。目前，这种方法每天在全世界生产大约 6500 万吨淡水。这相当于人口约 1400 万的东京都市区供水量的 14 倍。这种淡化水的主要用途是市政供水，约占产出的 60%，工业用途约占 30%。反渗透技术显然为人类做出了重大贡献。
当今广泛使用的反渗透膜由称为交联芳香聚酰胺的聚合物制成，这是一种厚度为数百纳米的高分子量尼龙。这些代表了反渗透膜自 1970 年代首次出现以来的许多改进。今天，反渗透从海水中提供安全、稳定的淡水来源，为世界做出了巨大贡献，但在全球可持续环境措施日益紧迫的时代，该领域需要在大量技术积累的基础上进一步技术创新迄今为止。
第一个改进领域是成本。目前，从海水中去除 99.8% 的盐以产生新鲜的饮用水需要非常高的水压，大约为 5 到 7 兆帕。这产生了对电力的巨大需求，由此产生的海水淡化成本约为每吨 1 美元。致力于海水淡化的国际协会正试图通过绿化和其他可持续概念将成本降低一半。
我们还需要进一步研究如何避免海洋水质恶化。每生产 1 升新鲜饮用水，海水淡化过程就会产生 1.5 升高浓度盐水。这种卤水每单位含盐量是海水的两倍，监管机构指出，这种废水对海洋生态系统，尤其是封闭生态系统的影响，是一个需要关注的问题。该问题的一个有希望的解决方案是将废盐水重新用作可重复使用的矿物资源。研究人员正在研究从盐水中回收盐、锂和镁等矿物资源的方法。
保护海洋环境的弹性关键
然而，进一步削减成本和采取环保措施的一个关键是提高膜的弹性。加强反渗透膜以对抗劣化首先需要降低粘附在膜表面的污染物水平。海水中充满了浮游生物等杂质，在过滤过程中会堵塞膜。天然有机物质，如海藻中的藻酸或腐烂植物中的腐殖酸，特别难以去除。这些污染物会在分子水平上阻塞膜扩散路径，从而降低其透水率和脱盐率。当这种情况发生时，即使增加水压也不会清理通道。海水淡化厂必须关闭，并通过设备泵送清洁水来清除它，但这也会产生相当大的成本。
目前，工厂对用于脱盐的海水进行化学预处理以去除杂质，以期减少堵塞。尽管所使用的化学物质在被释放到海洋中之前已被解毒，但仍需要将它们保持在最低限度，以保护海洋环境。从这个角度来看，更具弹性的反渗透膜提供了相当大的希望，因为增加的耐用性将减少对治疗的需求——使我们能够通过这项研究进行进一步的重大改进，从而在前人的辛勤工作的基础上再接再厉。
研究创新的新膜
2013 年，信州大学成立了全球水产创新中心，这是一个产-政-学合作研究组织，以满足这些需求。研究的重点之一是使用现代纳米技术的关键部分碳纳米管开发反渗透膜。
碳纳米管是圆柱形碳原子的纳米级超细中空纤维。它们可以由碳氢化合物(如甲烷)在约 1,000°C 下通过金属颗粒催化使用铁等金属形成。它们的厚度是人类头发的 1/50,000，重量轻，比钢强很多倍。由于它们化学性质稳定，能有效地传递热量和电能，因此它们被用作锂离子电池的电极添加剂，有助于增强电池性能。它们还广泛用作碳纤维增强塑料的添加剂，如网球拍和高尔夫球杆杆身。由于碳纳米管可以用生物甲烷生产，因此它们也是环保的纳米技术材料，其主要副产品是氢。
2018 年，信州大学通过将碳纳米管与传统的交联芳族聚酰胺混合，成功开发出一种创新的反渗透膜。混合最佳数量的纳米材料使膜带正电并减少表面不规则性。结果是杂质，也称为污垢，变得不太可能粘附。
含有碳纳米管的抗堵塞纳米复合膜的实际应用将使环保的“绿色海水淡化”技术成为可能，节约能源并最大限度地减少化学品的使用，非常适合这个注重环保的时代。
自 2020 年以来，该大学一直在北九州 Water Plaza 实际海水淡化中使用纳米复合膜，并验证了膜对污染物的性能。这些概念验证测试表明，与传统膜相比，它们有助于减少对化学处理的需求并延长使用寿命。因此，纳米复合膜可以进行更长期的脱盐操作，有可能将运营成本降低 10%–15%。它们还可以简化原海水预处理设施，这是高运营成本的另一个来源。
该中心目前正与世界各地的海水淡化相关公司和研究机构合作，在海水淡化设施中实施纳米复合膜。信州大学的膜还可以应用于污水处理和工业废水回用，这是尚未完全实现的目标，并且有望成为对环境和社会都有益的水循环系统。我相信，处于碳纳米管技术前沿的信州大学开发的纳米复合膜可以为解决本世纪世界面临的水问题做出巨大贡献。
