浅谈太空饮用水

摘要：介绍了太空饮用水的制备方法和未来的发展方向。

关键词：太空饮用水；制备方法

文章编号：1005－6629(2007)06－0046－03中图分类号：TS275.1文献标识码：E

太空之旅充满诱惑，而解决饮水问题又让人费尽心思。1961年加加林首次太空之旅成功，人类开始关注宇航员在太空的饮水问题。早期的饮用水都是宇航员从地球带去的。但随着航天事业的发展，宇航员在太空停留的时间越来越长。例如，国际空间站上的宇航员每人每天要消耗3加仑水（约11.4L），一年将要消耗1095加仑水[1]，显然通过直接携带水的方式不是长久之计，因而研究如何在宇航过程直接制得饮用水成为一个重要的课题。

1太空饮用水的制取

1.1水循环法

水循环法是目前最主要的制取太空饮用水的方法，它是利用反渗透膜技术循环利用已经使用过的水。

1.1.1 反渗透工作原理

（1）渗透及渗透压

渗透现象在自然界是常见的，例如将一根黄瓜放入盐水中，黄瓜就会因失水而变小。黄瓜中的水分子进入盐水溶液的过程就是渗透过程。如图1所示，把相同体积的稀溶液(例如淡水)和浓溶液(例如盐水)分别置于半透膜的两侧，稀溶液中的溶剂将自然穿过半透膜而自发地向浓溶液一侧流动，过一段时间纯水液面降低，而盐水的液面升高。这种水分子透过半透膜迁移到盐水中的现象叫做渗透现象。渗透达到平衡时，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一个压差，此压差即为渗透压。渗透压是溶液的一种依数性，其大小与溶液的浓度和温度有关而与溶液的性质无关。

（2）反渗透现象和反渗透净水技术

在上述装置达到平衡后，在浓溶液一侧施加一个大于渗透压的压力，溶剂将向原来渗透方向的反方向流动。液体分子在压力作用下由稀溶液向浓溶液迁移的现象称为反渗透现象，反渗透是渗透的一种反向迁移运动。

反渗透净水技术的关键就是有选择性的膜，反渗透半透膜上有众多孔，这些孔的大小与水分子的大小相当，由于细菌、病毒、大部分有机污染物和水合离子均比水分子大得多，因此在压力驱动下，借助于半透膜的选择截留作用能够将溶液中的溶质与溶剂分开。反渗透净水技术主要是利用水压(1000-10000kPa)[2] 使水由高浓度一方逆渗透到低浓度一方，存在于较高浓度一方的所有微细杂物、可溶性固体和对人体有害的物质都不能通过高精密的半透膜，而只有水分子能透过。如图2所示：

在水中的众多杂质中，可溶性盐是最难清除的，因此通常是根据除盐率的高低来确定其净水效果。目前较好的反渗透膜除盐率可达99.7%。

1.1.2 反渗透技术的应用

反渗透技术能除去废水中的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质，以及水中的异色、异味。将反渗透技术应用于航天废水的回收，能够获得高质量的纯净水，完全能够达到航天饮用水的标准。经过反渗透处理，废水中85%-98%的水都能被回收[3]。太空中的循环原水主要来自宇航员的尿液和生活用水（如洗澡水、洗衣水及厨房用水等）。收集到的原水要先过滤，将废水中的固体残渣滤掉，再将液体压过渗透膜，为避免少量细菌等随水透过渗透膜，还要对水进行酸化处理，以杀死各种致病的细菌。反渗透技术目前也广泛应用于日常饮用水的制备中，经此技术净化制得的饮用水被称为“太空水”。

1.2化学法――氢氧燃料电池

1.2.1燃料电池

燃料电池是种等温、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的发电装置，它质量轻、体积小、特别是无需对接电源的漫长充电过程，被广泛用于航天、能源等领域。

1.2.2氢氧燃料电池及工作原理

60年代初期，美国航空航天署（NASA）在宇宙飞船上安装了两个1000W的“PEM”（离子膜型）燃料电池，拉开了燃料电池在航天业应用的序幕。航天业上使用的主要是氢氧燃料电池，这种燃料电池通过氢和氧的反应为航天器提供电能，同时生成副产物――水。氢氧燃料电池由带多孔渗水镍电极的两个单独容器构成，一个容器内储存O2（阴极），另一个容器储存H2（阳极），电解质为KOH溶液。其工作原理是H2在阳极和催化剂接触，释放出电子和质子，电子经外接电路到达阴极，产生电流；同时O2被送入装满H2的容器，两种气体在容器内发生化学反应，质子通过电解质在阳极与O2和电子结合而形成水，从而完成整个发电过程，如图3所示：

整个过程中发生反应的电化学反应式为：

阳极：H22H++2e－

阴极：1/2O2+2H++2e－H2O

负极反应：H2+2OH－2H2O+2e－

正极反应：1/2O2+H2O+2e－2OH－

总反应：H2+1/2O2H2O

反应中两个容器的温度和压力保持在756K和4.1×105 N/m2，产水的多少由电池产生的电量而定[4]。电池每输出1F电量，大约生成9g水[5]，燃料电池制水法常常是作为循环法制水的补充。反应产生的水被储存到蓄水池，经过过滤、消毒等程序就能饮用了。1969年登月成功的“阿波罗”飞船就使用了这种方法制水。

1.3生物法

生物法是指2005年11月由我国自行研制成功的一种新技术――浮萍湿养。浮萍科植物是一类以漂浮为主的水生被子植物,主要是无性繁殖。浮萍科植物生长快速、占地小、可以吸收水中大量的N和P、浮萍中所含的酶还可以降解有机磷农药等[6]，而人类尿液中所含的无机盐、尿素、尿酸等物质正是浮萍所需的较好的营养物质，在促进浮萍生长的同时又可以将尿液中的有害物质进行分解，从而转化为符合标准的饮用水。浮萍类植物的蛋白含量较高, 自然水体中生长萍体粗蛋白含量通常在20%以上, 而污水中生长的则高达30%以上[7]。浮萍蛋白质的质量也比较好,其所含的8种人体必需的氨基酸的量除了蛋氨酸和色氨酸外都比较高，所以浮萍还可以作为食物食用。浮萍湿养技术的成功使人类在月球定居、建立永久空间站的梦想又迈出了坚实的一步。

1.4太空饮用水的净化

目前，国际空间站对太空饮用水的净化是模仿自然界的水循环过程――地球上的水从动物体内排出，经过自然界的作用重新变成干净新鲜的水。其区别在于太空站上的水不是通过微生物净化而是水净化仪，如图4：

太空站上的水净化包括三个步骤[8]： 首先用过滤器滤去水中的粒子和残余物；然后将水通过“多过滤层”，除去水中的有机和无机杂质；最后在“接触氧化反应堆”中除去水中易挥发的有机化合物，杀死细菌和病毒。通过净化处理的水有机碳含量小于0.25mg/L，重碳酸盐离子、铵离子和其他无机离子含量也分别只有50mg/L、25mg/L和25ppm[9]， 能够达到超纯水的标准。

2太空饮用水发展的展望

目前，国际空间站上的水回收系统主要回收燃料电池、尿液、漱口和洗手的水，还包括冷凝潮湿的空气，这套系统一年可为宇航员回收大约18143.69kg水。未来对太空饮用水制备的研究将主要集中在加强水处理仪器的净化能力上，科学家们正试图从动物的尿液和呼出的气体中回收水，水处理专家Layne Carter说，从72只老鼠身上回收的水完全能等同于从一个人那里回收的水，而且制得的水比美国任何一个地方的饮用水都要干净。目前美国开发的混合热再生离子交换树脂水处理系统[10]，能够控制周围温度和压力、用最小的能耗快速高效的去除废水中的污染物和可溶性盐类。这个系统可能会用在早期行星的基础计划中。

用循环的方法制水回收率在80%左右[11]，能满足人类短中期的饮水需求，人类想要在太空进行长期的研究或旅行，还必须在太空中找到水源。长期以来科学家一直希望在月球表面找到水并能加以利用。1998年美国探月者号传回的数据显示月球南北极阴暗处可能有冰存在，在月球干燥的风化层以下还可能隐藏着约40cm厚的冰层[12]。这一发现对人类太空探秘具有重要意义，如果一经证实月球冰存在，不仅能为宇航员提供充足的饮用水，还能制得人类呼吸所需的氧气和火箭燃料――氢气。现在人类对月球冰的探索只能说是刚刚起步，如何寻找月球冰存在的直接证据和挖掘月球冰仍然是摆在我们面前的大问题。

参考文献:

[1] .

[2] 刑启华．膜分离技术的应用[J]． 上海：化学教学, 2000（6）.

[3] 黄理军.太空之旅水问题[J]. 水利天地， 2005（12）.

[4] #X3.02.

[10] .

[12] .