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展方向。

關鍵詞：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文獻標識碼：E

太空之旅充滿誘惑，而解決飲水問題又讓人費盡心思。1961年加加林首次太空之旅成功，人類開始關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。但隨著航天事業的發展，宇航員在太空停留的時間越來越長。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，因而研究如何在宇航過程直接制得飲用水成為一個重要的課題。

1太空飲用水的制取

1.1水循環法

水循環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循環利用已經使用過的水。

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，黃瓜就會因失水而變小。黃瓜中的水分子進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，稀溶液中的溶劑將自然穿過半透膜而自發地向濃溶液一側流動，過一段時間純水液面降低，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象叫做滲透現象。滲透達到平衡時，濃溶液側的液面會比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一個壓差，此壓差即為滲透壓。滲透壓是溶液的一種依數性，其大小與溶液的濃度和溫度有關而與溶液的性質無關。

（2）反滲透現象和反滲透凈水技術

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

反滲透凈水技術的關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，由于細菌、病毒、大部分有機污染物和水合離子均比水分子大得多，因此在壓力驅動下，借助于半透膜的選擇截留作用能夠將溶液中的溶質與溶劑分開。反滲透凈水技術主要是利用水壓(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雜物、可溶性固體和對人體有害的物質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：

在水中的眾多雜質中，可溶性鹽是最難清除的，因此通常是根據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99.7%。

1.1.2 反滲透技術的應用

反滲透技術能除去廢水中的無機離子、細菌、病毒、有機物及膠體等雜質，以及水中的異色、異味。將反滲透技術應用于航天廢水的回收，能夠獲得高質量的純凈水，完全能夠達到航天飲用水的標準。經過反滲透處理，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，將廢水中的固體殘渣濾掉，再將液體壓過滲透膜，為避免少量細菌等隨水透過滲透膜，還要對水進行酸化處理，以殺死各種致病的細菌。反滲透技術目前也廣泛應用于日常飲用水的制備中，經此技術凈化制得的飲用水被稱為“太空水”。

1.2化學法——氫氧燃料電池

1.2.1燃料電池

燃料電池是種等溫、直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化為電能的發電裝置，它質量輕、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1000W的“PEM”（離子膜型）燃料電池，拉開了燃料電池在航天業應用的序幕。航天業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為航天器提供電能，同時生成副產物——水。氫氧燃料電池由帶多孔滲水鎳電極的兩個單獨容器構成，一個容器內儲存O₂（陰極），另一個容器儲存H₂（陽極），電解質為KOH溶液。其工作原理是H₂在陽極和催化劑接觸，釋放出電子和質子，電子經外接電路到達陰極，產生電流；同時O₂被送入裝滿H₂的容器，兩種氣體在容器內發生化學反應，質子通過電解質在陽極與O₂和電子結合而形成水，從而完成整個發電過程，如圖3所示：

整個過程中發生反應的電化學反應式為：

陽極：H₂→2H⁺+2e^－

陰極：1/2O₂+2H⁺+2e^－→H₂O

負極反應：H₂+2OH^－→2H₂O+2e^－

正極反應：1/2O₂+H₂O+2e^－→2OH^－

總反應：H₂+1/2O₂→H₂O

反應中兩個容器的溫度和壓力保持在756K和4.1×10⁵ N/m₂，產水的多少由電池產生的電量而定[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法制水的補充。反應產生的水被儲存到蓄水池，經過過濾、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——浮萍濕養。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磷農藥等[6]，而人類尿液中所含的無機鹽、尿素、尿酸等物質正是浮萍所需的較好的營養物質，在促進浮萍生長的同時又可以將尿液中的有害物質進行分解，從而轉化為符合標準的飲用水。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30%以上[7]。浮萍蛋白質的質量也比較好，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。浮萍濕養技術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實的一步。

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過程——地球上的水從動物體內排出，經過自然界的作用重新變成干凈新鮮的水。其區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”，除去水中的有機和無機雜質；最后在“接觸氧化反應堆”中除去水中易揮發的有機化合物，殺死細菌和病毒。通過凈化處理的水有機碳含量小于0.25mg/L，重碳酸鹽離子、銨離子和其他無機離子含量也分別只有50mg/L、25mg/L和25ppm[9]， 能夠達到超純水的標準。

2太空飲用水發展的展望

目前，國際空間站上的水回收系統主要回收燃料電池、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水處理儀器的凈化能力上，科學家們正試圖從動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人那里回收的水，而且制得的水比美國任何一個地方的飲用水都要干凈。目前美國開發的混合熱再生離子交換樹脂水處理系統[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。這個系統可能會用在早期行星的基礎計劃中。

用循環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據顯示月球南北極陰暗處可能有冰存在，在月球干燥的風化層以下還可能隱藏著約40cm厚的冰層[12]。這一發現對人類太空探秘具有重要意義，如果一經證實月球冰存在，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——氫氣?，F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和挖掘月球冰仍然是擺在我們面前的大問題。

參考文獻:

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

[2] 刑啟華．膜分離技術的應用[J]． 上海：化學教學， 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]. 化學通報， 2000（3）.

[6] 種云霄等.浮萍植物在污水處理中的應用研究進展[J]. 環境污染治理技術與設備， 2006（3）.

[7] 許萬祥， 周巖， 胡宗則. 不同加工儲藏方法對浮萍營養成分的影響[J]. 當代畜牧， 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.