淺談太空飲用水

摘要：介紹了太空飲用水的制備方法和未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：太空飲用水；制備方法

文章編號：1005－6629(2007)06－0046－03中圖分類號：TS275.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：E

太空之旅充滿誘惑，而解決飲水問題又讓人費(fèi)盡心思。1961年加加林首次太空之旅成功，人類開始關(guān)注宇航員在太空的飲水問題。早期的飲用水都是宇航員從地球帶去的。但隨著航天事業(yè)的發(fā)展，宇航員在太空停留的時(shí)間越來越長。例如，國際空間站上的宇航員每人每天要消耗3加侖水（約11.4L），一年將要消耗1095加侖水[1]，顯然通過直接攜帶水的方式不是長久之計(jì)，因而研究如何在宇航過程直接制得飲用水成為一個(gè)重要的課題。

1太空飲用水的制取

1.1水循環(huán)法

水循環(huán)法是目前最主要的制取太空飲用水的方法，它是利用反滲透膜技術(shù)循環(huán)利用已經(jīng)使用過的水。

1.1.1 反滲透工作原理

（1）滲透及滲透壓

滲透現(xiàn)象在自然界是常見的，例如將一根黃瓜放入鹽水中，黃瓜就會(huì)因失水而變小。黃瓜中的水分子進(jìn)入鹽水溶液的過程就是滲透過程。如圖1所示，把相同體積的稀溶液(例如淡水)和濃溶液(例如鹽水)分別置于半透膜的兩側(cè)，稀溶液中的溶劑將自然穿過半透膜而自發(fā)地向濃溶液一側(cè)流動(dòng)，過一段時(shí)間純水液面降低，而鹽水的液面升高。這種水分子透過半透膜遷移到鹽水中的現(xiàn)象叫做滲透現(xiàn)象。滲透達(dá)到平衡時(shí)，濃溶液側(cè)的液面會(huì)比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一個(gè)壓差，此壓差即為滲透壓。滲透壓是溶液的一種依數(shù)性，其大小與溶液的濃度和溫度有關(guān)而與溶液的性質(zhì)無關(guān)。

（2）反滲透現(xiàn)象和反滲透凈水技術(shù)

在上述裝置達(dá)到平衡后，在濃溶液一側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓的壓力，溶劑將向原來滲透方向的反方向流動(dòng)。液體分子在壓力作用下由稀溶液向濃溶液遷移的現(xiàn)象稱為反滲透現(xiàn)象，反滲透是滲透的一種反向遷移運(yùn)動(dòng)。

反滲透凈水技術(shù)的關(guān)鍵就是有選擇性的膜，反滲透半透膜上有眾多孔，這些孔的大小與水分子的大小相當(dāng)，由于細(xì)菌、病毒、大部分有機(jī)污染物和水合離子均比水分子大得多，因此在壓力驅(qū)動(dòng)下，借助于半透膜的選擇截留作用能夠?qū)⑷芤褐械娜苜|(zhì)與溶劑分開。反滲透凈水技術(shù)主要是利用水壓(1000-10000kPa)[2] 使水由高濃度一方逆滲透到低濃度一方，存在于較高濃度一方的所有微細(xì)雜物、可溶性固體和對人體有害的物質(zhì)都不能通過高精密的半透膜，而只有水分子能透過。如圖2所示：

在水中的眾多雜質(zhì)中，可溶性鹽是最難清除的，因此通常是根據(jù)除鹽率的高低來確定其凈水效果。目前較好的反滲透膜除鹽率可達(dá)99.7%。

1.1.2 反滲透技術(shù)的應(yīng)用

反滲透技術(shù)能除去廢水中的無機(jī)離子、細(xì)菌、病毒、有機(jī)物及膠體等雜質(zhì)，以及水中的異色、異味。將反滲透技術(shù)應(yīng)用于航天廢水的回收，能夠獲得高質(zhì)量的純凈水，完全能夠達(dá)到航天飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過反滲透處理，廢水中85%-98%的水都能被回收[3]。太空中的循環(huán)原水主要來自宇航員的尿液和生活用水（如洗澡水、洗衣水及廚房用水等）。收集到的原水要先過濾，將廢水中的固體殘?jiān)鼮V掉，再將液體壓過滲透膜，為避免少量細(xì)菌等隨水透過滲透膜，還要對水進(jìn)行酸化處理，以殺死各種致病的細(xì)菌。反滲透技術(shù)目前也廣泛應(yīng)用于日常飲用水的制備中，經(jīng)此技術(shù)凈化制得的飲用水被稱為“太空水”。

1.2化學(xué)法——?dú)溲跞剂想姵?/p>

1.2.1燃料電池

燃料電池是種等溫、直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，它質(zhì)量輕、體積小、特別是無需對接電源的漫長充電過程，被廣泛用于航天、能源等領(lǐng)域。

1.2.2氫氧燃料電池及工作原理

60年代初期，美國航空航天署（NASA）在宇宙飛船上安裝了兩個(gè)1000W的“PEM”（離子膜型）燃料電池，拉開了燃料電池在航天業(yè)應(yīng)用的序幕。航天業(yè)上使用的主要是氫氧燃料電池，這種燃料電池通過氫和氧的反應(yīng)為航天器提供電能，同時(shí)生成副產(chǎn)物——水。氫氧燃料電池由帶多孔滲水鎳電極的兩個(gè)單獨(dú)容器構(gòu)成，一個(gè)容器內(nèi)儲(chǔ)存O₂（陰極），另一個(gè)容器儲(chǔ)存H₂（陽極），電解質(zhì)為KOH溶液。其工作原理是H₂在陽極和催化劑接觸，釋放出電子和質(zhì)子，電子經(jīng)外接電路到達(dá)陰極，產(chǎn)生電流；同時(shí)O₂被送入裝滿H₂的容器，兩種氣體在容器內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，質(zhì)子通過電解質(zhì)在陽極與O₂和電子結(jié)合而形成水，從而完成整個(gè)發(fā)電過程，如圖3所示：

整個(gè)過程中發(fā)生反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)式為：

陽極：H₂→2H⁺+2e^－

陰極：1/2O₂+2H⁺+2e^－→H₂O

負(fù)極反應(yīng)：H₂+2OH^－→2H₂O+2e^－

正極反應(yīng)：1/2O₂+H₂O+2e^－→2OH^－

總反應(yīng)：H₂+1/2O₂→H₂O

反應(yīng)中兩個(gè)容器的溫度和壓力保持在756K和4.1×10⁵ N/m₂，產(chǎn)水的多少由電池產(chǎn)生的電量而定[4]。電池每輸出1F電量，大約生成9g水[5]，燃料電池制水法常常是作為循環(huán)法制水的補(bǔ)充。反應(yīng)產(chǎn)生的水被儲(chǔ)存到蓄水池，經(jīng)過過濾、消毒等程序就能飲用了。1969年登月成功的“阿波羅”飛船就使用了這種方法制水。

1.3生物法

生物法是指2005年11月由我國自行研制成功的一種新技術(shù)——浮萍濕養(yǎng)。浮萍科植物是一類以漂浮為主的水生被子植物，主要是無性繁殖。浮萍科植物生長快速、占地小、可以吸收水中大量的N和P、浮萍中所含的酶還可以降解有機(jī)磷農(nóng)藥等[6]，而人類尿液中所含的無機(jī)鹽、尿素、尿酸等物質(zhì)正是浮萍所需的較好的營養(yǎng)物質(zhì)，在促進(jìn)浮萍生長的同時(shí)又可以將尿液中的有害物質(zhì)進(jìn)行分解，從而轉(zhuǎn)化為符合標(biāo)準(zhǔn)的飲用水。浮萍類植物的蛋白含量較高， 自然水體中生長萍體粗蛋白含量通常在20%以上， 而污水中生長的則高達(dá)30%以上[7]。浮萍蛋白質(zhì)的質(zhì)量也比較好，其所含的8種人體必需的氨基酸的量除了蛋氨酸和色氨酸外都比較高，所以浮萍還可以作為食物食用。浮萍濕養(yǎng)技術(shù)的成功使人類在月球定居、建立永久空間站的夢想又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

1.4太空飲用水的凈化

目前，國際空間站對太空飲用水的凈化是模仿自然界的水循環(huán)過程——地球上的水從動(dòng)物體內(nèi)排出，經(jīng)過自然界的作用重新變成干凈新鮮的水。其區(qū)別在于太空站上的水不是通過微生物凈化而是水凈化儀，如圖4：

太空站上的水凈化包括三個(gè)步驟[8]： 首先用過濾器濾去水中的粒子和殘余物；然后將水通過“多過濾層”，除去水中的有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì)；最后在“接觸氧化反應(yīng)堆”中除去水中易揮發(fā)的有機(jī)化合物，殺死細(xì)菌和病毒。通過凈化處理的水有機(jī)碳含量小于0.25mg/L，重碳酸鹽離子、銨離子和其他無機(jī)離子含量也分別只有50mg/L、25mg/L和25ppm[9]， 能夠達(dá)到超純水的標(biāo)準(zhǔn)。

2太空飲用水發(fā)展的展望

目前，國際空間站上的水回收系統(tǒng)主要回收燃料電池、尿液、漱口和洗手的水，還包括冷凝潮濕的空氣，這套系統(tǒng)一年可為宇航員回收大約18143.69kg水。未來對太空飲用水制備的研究將主要集中在加強(qiáng)水處理儀器的凈化能力上，科學(xué)家們正試圖從動(dòng)物的尿液和呼出的氣體中回收水，水處理專家Layne Carter說，從72只老鼠身上回收的水完全能等同于從一個(gè)人那里回收的水，而且制得的水比美國任何一個(gè)地方的飲用水都要干凈。目前美國開發(fā)的混合熱再生離子交換樹脂水處理系統(tǒng)[10]，能夠控制周圍溫度和壓力、用最小的能耗快速高效的去除廢水中的污染物和可溶性鹽類。這個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)用在早期行星的基礎(chǔ)計(jì)劃中。

用循環(huán)的方法制水回收率在80%左右[11]，能滿足人類短中期的飲水需求，人類想要在太空進(jìn)行長期的研究或旅行，還必須在太空中找到水源。長期以來科學(xué)家一直希望在月球表面找到水并能加以利用。1998年美國探月者號傳回的數(shù)據(jù)顯示月球南北極陰暗處可能有冰存在，在月球干燥的風(fēng)化層以下還可能隱藏著約40cm厚的冰層[12]。這一發(fā)現(xiàn)對人類太空探秘具有重要意義，如果一經(jīng)證實(shí)月球冰存在，不僅能為宇航員提供充足的飲用水，還能制得人類呼吸所需的氧氣和火箭燃料——?dú)錃狻，F(xiàn)在人類對月球冰的探索只能說是剛剛起步，如何尋找月球冰存在的直接證據(jù)和挖掘月球冰仍然是擺在我們面前的大問題。

參考文獻(xiàn):

[1] http://ksnn.larc.nasa.gov/21Century/p9.html.

[2] 刑啟華．膜分離技術(shù)的應(yīng)用[J]． 上海：化學(xué)教學(xué)， 2000（6）.

[3] 黃理軍.太空之旅水問題[J]. 水利天地， 2005（12）.

[4] http://lsda.jsc.nasa.gov/books/apollo/S6CH4. htm.

[5] 邵志剛. 衣寶廉. 再生氫氧燃料電池[J]. 化學(xué)通報(bào)， 2000（3）.

[6] 種云霄等.浮萍植物在污水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備， 2006（3）.

[7] 許萬祥， 周巖， 胡宗則. 不同加工儲(chǔ)藏方法對浮萍營養(yǎng)成分的影響[J]. 當(dāng)代畜牧， 1998(3)： 35～36.

[8] http://science.nasa.gov/headlines/y2000/ast02nov_1.htm

[9][11]http://sbir.nasa.gov/SBIR/sbirsttr2006/solicitation/SBIR/

TOPIC_X3.html#X3.02.

[10] http://sbir.gsfc.nasa.gov/SBIR/abstracts/04/sbir/phase1/SBIR

-04 -1-B3.06-8171.html.

[12] http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/ice/ice_moon.html.