水是生命之源

　　反渗透水处理技术已经成为一种新型产业，有人在研制反渗透的同时，又研制了正渗透技术。

   水处理技术不仅仅是民用，而且还被大量的应用于军品市场，根据网络的最新资讯，美陆军坦克车辆研发工程中心TARDEC和国防高级研究计划局正在研究可以不受水源地的束缚, 在战场的任何地方都可以制水的新型净水装备，以减轻运配水保障压力。实现这一目标主要通过以下两种途径：一是研发更高效、质轻、紧凑的净水装备；二是从非传统水源，比如空气或汽车尾气等中制水。

　　研制最新新技术

　　工作目前美军供水装备存在的主要问题包括: 能耗偏高；体积和质量偏大；容易结垢, 膜寿命短；低温运行时稳定性差；化学试剂、过滤器材等消耗大；当原水中的水质污染物发生改变时，操作也需作相应调整。针对以上这些问题, 美军正在积极研究新技术, 具体包括抗氯型反渗透膜、正渗透、离子浓缩极化、电容电去离子和电化学消毒技术等。

　　新型反渗透膜技术

　　美军一直在寻找一种能够减少浓缩极化和生物污垢的新型膜技术。分离系统公司（Separation system technology）已经研发出了一种能够降低生物污垢的抗氯型的新型反渗透膜。由于现有的膜材料大都不具抗氯性，因而很容易被氯降解，而这种新型的抗氯膜则能够利用氯来减少微生物在膜上结垢从而延长其使用寿命。MIXO公司正在研制一种采用先进网孔结构膜和脉冲水流技术的手持式反渗透系统。脉冲式水流将能够减少膜表面污染物的形成，从而减少浓缩极化现象和生物污垢。现有的反渗透膜系统，其膜与膜之间是由一些菱形网孔结构联接而成的，这些孔隙影响了水流通过，并且给细菌滋生提供了场所。而这种新型膜的网孔是直接印在膜上的，并且其形状、大小或厚度可根据实际需要调节，从而提高过水性能，减少极化和结垢现象。所以说，脉冲式水流和新型网孔结构设计，大大降低了系统的操作水压，减少了清洁频次，进而节约了成本。这些新技术将逐步应用推广到包括小型模块化净水装置和单兵净水器等在内的陆军所有的净水装备。

　　正渗透技术

　　美军也在研究将正渗透（Forward osmosis）技术运用到单兵净水器中。相比反渗透而言，正渗透是利用膜两侧的渗透压差进行渗滤，因而几乎不需要外力，这样其能耗也大大降低。美国水合技术公司（HTI）开发出世界上第一种可商业应用的正向渗透膜，并生产出使用该技术的乙烯基XPack便携式水合水袋Hydration bag，其在产水侧加入饮料粉和带电离子类食物(如盐、糖、氨基酸等), 这样就能利用膜两侧的渗透压差, 将原水侧的水分子吸收过来。此方法几乎可以从任何水源甚至是人体的尿液取水，并将其转化成安全的可饮用水。美国的分离系统公司也正在研制一种新型有孔纤维正渗透膜，它通过增加过水面积，从而提高产水率。

　　离子浓缩极化技术

　　离子浓缩极化（Ion concentration polarization）技术, 则是通过静电排斥作用将盐和微生物通过离子选择性膜材料从水中分离出来, 这样水流无需通过膜材料即可达到除盐目的, 从而不需要提供高压差, 自然也不会有膜污染的发生。

　　这种在微型规模下工作的微流装置, 其结构原理类似于微型电机。每一个净水单元仅能处理很微量的水, 但是研究人员通过大量组装, 将1600个此净水单元组合到一个直径8in的装置, 每小时可制备15升洁净水。整个装置是自容式的, 利用重力工作, 从上面将盐水倒入, 经过分离, 淡水和浓缩盐水就分别从下面的两个出口流出。via《给水排水》杂志

相比于目前反渗透等较为成熟的规模化技术, 这种新技术的耗电量还稍微有点高。相信在不久的将来, 通过合理的工程化设计, 该系统的电耗将大大降低。由于是靠静电作用进行分离的, 因此那些不带电的污染物就不能被分离。考虑到残留的颗粒物大多数是工业污染物, 研究人员建议将该系统与传统的活性炭过滤系统相结合, 这样就能够获得纯净安全的饮用水。预计很快就能开发出较为成熟稳定的小型或单兵海水淡化装备。

　　电容去离子技术

　　生物技术公司（Biosource Incorporated）正在研制一种新型的电容去离子技术（Capacitive deionization）净水装置。其原理是让水流通过电容器，利用电容器表面的极化作用去除水中的离子，以达到净水目的。该技术能够处理包括海水在内的任何原水。相比较于传统的净水技术，电容电去离子技术具有更好的热动力性能。在过去，由于受材料所限，此项技术还不能应用于海水处理上。但是现在生物技术公司研制出一种新型集成碳电极，其具备较高的电压和较大的过水面积，正是由于采用了这种新型碳电极以及新型电池层技术，该公司已研发出可成功处理海水的样机。同时，由于其具有良好的去离子、提高pH值、去除稳定性化合物的性能，使其处理汽车尾气制水成为可能。

　　电解氧化剂技术

　　氧化剂净水器（Mix oxidant，简称MIOX），其原理是将氯化钠溶液电解产生高效混合氧化剂（次氯酸钠、次氯酸、二氧化氯、臭氧、双氧水等），这种消毒剂可以抑制大量普通病原体，包括大肠杆菌、贾第虫和隐孢子虫，甚至包括某些化学战剂。MIOX净水器通过了美国环保署EPA关于微生物净水器所制定的指导标准，比规定的灭活要求还高出了10多倍，即便是美国环保署指定的“最差水质”的水源。via《给水排水》杂志

   MIOX电解消毒笔超轻超小，仅重99克，无泵设计，只需加水、摇晃、按钮，操作非常简便。将此混合氧化液倒入需要净化的原水中，1 h后即可安全饮用，每次可处理1 gal的原水，目前美军已在阿富汗战区使用。

　　现在, 适用于ROWPU的大型MIOX电解消毒器也已经研制出来, 并且安装到ROWPU上进行了相关测试。

　　新水源

　　由于现有的供水保障仍然是基于有充足水源的基础之上, 进行净水、运水和配水, 但是未来战争作战形势更加严峻, 作战环境更具不确定性, 因而对供水保障提出了新的挑战, 即使在没有外界补给的情况之下, 也要能够满足部队的供水需求。因此美军为满足未来作战部队的保障需求，积极开发了多种非常规新水源, 包括尾气、空气、中水、雨水、汗水甚至人体尿液等。

　　尾气制水

　　汽车尾气制水（见图3 ）将成为未来从非传统水源制水的非常有潜力的技术。柴油燃烧的主要产物为水和二氧化碳，方程式如下：

   C12H22 + 17.5O2 → 11H2O + 12CO2

　　理论上讲，1gal的柴油大约能生成1gal的水。柴油燃烧后生成的冷凝水中还含有不少氮氧化物和硫化物等具有较强酸性的物质，还有灰颗粒、不完全燃烧产生的有机物、未燃烧的碳氢化合物、金属等其它污染物。

　　汽车尾气首先必须经过冷凝浓缩。假设1gal柴油就产生1gal水，经过理论计算，冷却器和热交换器的水蒸汽冷凝转化热效率为50%～70％比较合适。

　　尾气冷凝物的水质分析包括灰颗粒、极性或非极性有机物和金属等。在不同的冷凝浓缩的条件下，TOC总有机碳的变化范围处于60～360ppm之间。影响TOC浓度的主要因素包括尾气的温度、生成水量、发动机功率及接触转换的时间的长短等。非有机污染物主要包括铝、锌、硼、磷、铁等。其处理工艺包括过滤、活性炭纤维过滤、离子交换树脂吸附等。过滤主要是去除原水中的颗粒物（颗粒物浓度在20～100ppm之间），经过这一步骤，原水就由黑色粘稠液体变为黄褐色的较为清澈的水。活性炭基本能够完全吸附小的非极性有机物，但是对于较大的有机物或极性有机物等则只能吸附40%～50％。离子吸附树脂能够有效吸附除硼以外的所有无机物，以及极性有机物，能够有效降低TOC。via《给水排水》杂志

　　根据上述研究结果，美军不断对尾气制水装备进行改进。（1）采用木质活性炭颗粒去除较大有机物和极性有机物。（2）采用一种能够去除硼的新型混合离子树脂。通过以上这些技术改进，最终的出水中的污染物浓度低于饮用水标准。这项装备的成功研制，将为部队提供更加机动灵活的供水保障。

　　空气制水

　　空气中的水蒸气是世界上最广泛存在的水资源。特别是干旱缺水地区，空气中的水蒸气就成为最好的水源，但现有空气制水装备存在体积大、能耗高的缺点。

　　目前美陆军部和国防高级研究计划局正在进行相关研究。一方面改进冷却系统，以提高进气中的水蒸气含量。正在研制的新型沸石和化学表面改性活性炭，其具有更好的吸水性能，并且相比较于一般吸附剂，此改性活性炭能够更容易地脱水，从而降低能耗。另一方面就是研究新型浓缩技术, 其通过采用新型冷凝技术与新的膜通道技术、表面改性材料和电聚合体的联用来实现。这种新型膜与生物膜类似，膜上的亲水材料使它能够抵抗浓缩的离心力影响，让微分子顺利通过，从而降低能耗。特别之处是，此膜表面与电极联通，因此其亲水性和憎水性可根据需要通过改变电极而变换，过滤时显示亲水性，而收集水时则显示憎水性。

　　空气制水技术适用于单兵、小型部队或无外界支援的部队等使用的小型模块化净水装置，其目标就是体积缩小为1/5~1/15，能耗降低到1/2~1/5。目前，空气制水试验板模型和车载样机已在阿伯丁试验场完成环境和道路试验等测试，其理论最大制水能力为每消耗1gal燃油可制备5gal水。下一阶段，将研制军用标准7.5t拖车式空气制水机，其产水能力为2～5gal水/gal油，每天制水500gal，做为FCS未来作战部队使用。

　　中水回用

　　美军力量提供者(Force Provider, 简称FP)基地野营系统的集装箱式淋浴系统每天用水12000gal，每年达4.4Mgal。采用洗浴水回用系统(见图4)的水回用率为75%~80%，每年大约可节水3.3Mgal。目前，作战区的70支战斗支援部队采用此项技术之后，每年能节省231Mgal的水。

　　该洗浴水回用系统每天可处理12000gal洗浴废水（高峰流量40gal/min）。原水首先经过自清洗型（空气清除）预滤器，此滤器孔径为15微米, 能够去除毛发, 其后是2微米的微滤膜过滤, 去除溶液中的悬浮固体, 之后经过咸/海水型反渗透膜的过滤, 去除有机物、细菌、病毒等, 膜过滤之后采用活性炭过滤, 最后由自动加氯系统加氯, 达到饮用水标准。使用温度为–32℃～60℃。

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