水，无论是它本身还是人们对它的认知都呈现出两重色彩：水是自然界最常见的物质却又是十分宝贵的资源；水的物理化学性质似乎已经清楚但其特性却不乏奇妙；水的净化处理方法多种多样，然而仍然不够完善和理想；对于水与水处理的研究，至今人们是否可说已经无所作为呢？不，这个充满诱惑的领域有待我们去进一步创新开发。

宝贵的资源

水是地球上无所不在的物质。川流不息的溪、涧、江、河，一望无际的湖泊、海洋，天空中的云层、晨曦时的迷雾、土壤甚至岩石都蕴涵着水。地球上没有一个物体——生物、非生物各种物体或微粒可以无水。

地球上的水，大多是海水，估计海水约10¹⁸吨，淡水仅占2.53%，其中地下水和冰川又占99.66%，剩下的仅0.34%，约104万亿米³，供全球60多亿人生活和生产消耗。发达国家城市人口人均日耗水量已.达0.5吨。中国水资源总量约2.7万亿米³。随着人口增长和人们生活水平的提高，水的供需矛盾无疑将日趋突出。水是生命之必需。有人说生命本身就是一种特殊胶体的水的系统。地球上的全部活质（生物组合体）约3600亿吨，三分之二由水组成。活质中的碳占10%，而氢和氧占90%。

细菌，81%是由水组成的。细菌在水中的繁殖速度十分惊人。有人估算过，如果能不断地为细菌补充能量并清除废物，则一个细菌经24小时可增殖到千吨之重！

成年人体重的76%是水，儿童体内的水分可达80%。一个人可以17天左右不进食物，但一般不可能48小时不饮水。正常人每天需要的水为2~3升。

在现代社会生活中，每个人可供水的不富有和所需水的高要求（数量和质量）告诫我们：水是十分宝贵的资源。

奇妙的特性

有人将水的特性归纳为“四个最”，即最常见、最基本、最复杂、最神秘。

水是水分子的集合。每个水分子所占的体积约3x10^-29m³，分子间的距离约0.3 nm，这与水分子有效直径大小相当，即水分子几乎是一隔一地排列着。在热作用下，水分子运动包括缓慢的平移及在平衡位置附近的振动。振动平均周期称为松弛时间，随温度上升而急剧减小。在室温下，一个水分子的平均动能约0.04 ev。在地表普通的热动力下，水以三相（气、液、固）共存的事实令人惊讶。

水是强极性分子。每个氢原子和氧原子共用一个电子，使氧原子带负电荷，两个氢原子则带正电荷，OH间的距离约0.1 nm，OH键之夹角约104°，电荷与距离的乘积称为电偶极矩P，是矢量，方向从负电荷到正电荷。

水分子之间有氢键作用。氢键是一个水分子的氧负电荷和邻近水分子的氢正电荷之间的静电吸引力，它比水分子本身氢、氧原子之间的联结要弱得多，相差24倍，键能为21 KJ/mol。当冰熔化为水时，氢键被撕破15%，当水蒸气加热到600℃时氢键才全部被破坏。正是氢键的存在使水具有高的沸点、汽化热、熔化热及粘滞度。

水有高的介电常数εr。εr与温度等有关，一般取εr=80。这就是说，两电荷在水中的作用力等于它们在空气中作用力的1/80。水中的电场击穿强度比空气中的3x10⁶ v/m大得多。这也意味着，物质在水中电离比较容易。

水是极弱的电解质。水仅能电离出极少量的H⁺及OH^-。但这一微弱的电离有着极其重要的影响，例如它能使某些化合物分解，即所谓水解作用。这是氯的漂白和肥皂洗涤的机理。溶胶——凝胶法制备纳米材料亦利用水解原理。

水分子所受的力除重力外，主要是分子力（与分子电性结构有关，包括排斥力及吸引力）、内聚力（分子间氢键，是凝聚成液体的主因）、表面张力（维持表面势能最小的力）、附着力（与固体表面作用力，水沿毛细管上升持续时间可达一年之久）及与运动速度有关的粘滞力等。

在所有的液体和固体物质中，水的热容量最大，比同体积的空气热容量大3300倍，即将水加热或降低到同温度时所消耗或放出的热量大。例如，室温下1 m³水温度升高1℃，衢吸收热量4.18 MJ。这决定了水温比气温要稳定得多，水温往往只有缓慢的变化。水有很大的相变热，室温下1 m³水由液态变成气态需吸收热量2.25x10³ MJ。

磁场对水的作用长期是个谜。现在我们知道磁化水可极大减少锅垢，可加速某些物质（如硫酸镁）在水中的溶解，可提高物质表面的吸附作用，有利于缩短水泥固化时间并提高其强度。

正如有的科学家所说，至今，水的结构特点尚未被人们完全识破。

净化的技术

水的处理和净化问题，是世界各国政府和公众投入大量精力和资金探讨解决的问题，其中有些已得到解决，有些仍在解决之中。

进行水处理，是由于自然界江河湖泊中的水及工业排水含有大量杂质的缘故。这些杂质可大致分为三类：（1）溶解物，包括各种盐类及气体，大小为0.1~1.0 nm，呈透明状；（2）胶体颗粒，大小为1~100 nm，正处纳米数量级中，呈浑浊状；（3）悬浮物，大小为1 μm ~1 mm，浑浊甚至肉眼可见。悬浮物及胶体颗粒包括细菌、藻类、泥沙等。不同水源的水质数据可见[美]W · 拜尔斯等著《工业水再利用的系统方法》一书，参数包括金属元素、盐、碱、无机物、溶解固体、硬度及pH值等。

现代社会中，水处理的主要应用是城市人口饮用水及工业给排水。实际上，水质一直处于变化之中。

一般认为蒸馏水是很纯的，但其中溶有CO₂及各种离子。有人说，真正的纯水也许只能维持几秒钟！而且无论怎样提纯水，水的电导率不会等于0，总有氢氧根等存在。

我国的生活饮用水标准见GB5479-85，包括感官性指标（色度、浊度、臭和味及肉眼可见等方面），化学指标（pH值、总硬度及铁等元素含量），毒理学指标（氟化物、氰化物、3.4苯并芘、DDT、六六六等含量），细菌学指标（细菌总数、大肠肝菌、游离余氯）及放射性指标。

膜技术是现代水处理的基本技术之一。早在1861年麦克斯韦（Mexwell）提出一种“分类精灵”，它能跟踪每一个分子，并将容器隔板的小孔打开或关闭，以控制该分子的去与留。这种装置称为“麦克斯韦妖”。至今，这种分类精灵尚未出现，而分类用的膜却很普遍。膜的材料分为有机膜（如聚合物）和无机膜（如陶瓷），膜的厚度为10~200 μm。膜实际是一个两相之间的选择性屏障。膜两侧下列参数的差异便形成通过膜的推动力：浓度差SC，压力差OP，温度差AT，电位差OE。膜过程的分类为：微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、电渗析（ED）、膜电解（ME）、扩散渗析（DD）及透析等，以上通称为第一代膜。其中，微滤的膜孔径为0.1~10 μm，而超滤膜孔径为2~100 nm。微滤适合于分离细菌、酵母细胞；超滤适合于分离病毒、蛋白质、硅溶胶；纳滤适合于分离微溶质；电渗析、反渗析等适合于分离盐溶液、金属离子、糖。第二代膜为气体分离（GS）、蒸汽渗透（VP）、全蒸发（PV）、膜蒸馏（MD）、膜接触器（MC）及载体介质传递等。膜技术的应用范围包括：食品、饮料、乳品、冶金、造纸、纺织、制药、汽车、生物、化工、环保等。生命，特别是细胞与生物膜是密切相关的，有人说“如果你对膜感到厌倦，你就是对生命感到厌倦"，尽管至今生物膜几乎尚未应用于工业实际。

对膜技术优缺点可作一评价。优点是：可实现连续分离，能耗通常较低，易与其他分离过程结合，可在温和条件（如常温）下实现分离，易于放大，膜的性能可以调节，不需要添加物。缺点是：浓度极差、易污染、寿命有限、选择性较低，放大因子基本呈线性等。

创新的思考

中国科学院《2001科学发展报告》中提到，21世纪，以物质科学和生命科学的突破，生物技术、信息技术、纳米技术广泛应用为代表，科学技术将成为人类社会变革和发展的主导力量。

围绕水，在净化技术、分子动力学和生物学三个方面做文章，将不乏新意。

1.运用新的原理、工艺和设施进行水处理

水处理或者水净化的基本思想是区别水分子与其他待分离物质特性的不同。传统的方法是区别它们的重力、粒径大小、沸点、电离性、化学键等；而对于水是强极性分子，有大的介电常数和比热容等特征则未加充分地重视和利用。例如，在电场梯度较大处，对水分子有较大的拉力等。

水分子的掺杂特性也是个有趣的课题。实验已经证明：冰的熔化温度为0℃，但具体与杂质（如尘埃等）有关，如无溶解气体，则可达-70℃；水的沸腾温度为100℃，但与气泡有关，如无气泡进入，则可达150℃以上。

与去掉杂质的传统思路相反，笔者认为，常温下抽提水分子（Abstraction Water Molecule）有可能成为一种水处理的新方法。这种新方法包括两个方面的内容：（1）设计和制备一种具有特殊功能的新物质。这种新物质采用新的原理和纳米/微米技术制备，用它作为水处理的基材；（2）设计和制造采用这种基材的全套水处理系统装置。

新的水处理原理与方法，其目标是实现水处理的“二高二低二少”，即高选择性（所含杂质甚少）、高效率（在单位面积、时间、压力下流量大）；低成本、低能耗；少维修、少污染。

上述目标的实现，将大大有利于保护水资源、改善水环境、发展生产和保障人体健康。

2.运用纳米和计算机技术，建立水分子动力学

流体力学现有的研究方法是：归结模型（略去次要因素）、建立数学方程、求出数值解、检验模型的准确性。这往往不准确或者局限性很大，目前仍然缺乏基于分子的液体理论。分子动力学模拟是将流体考虑为分子的集合，它在20世纪90年代的进展是，数个CPU小时内，超级计算机可模拟10万个分子。为模拟1秒真实时间内复杂分子的相互作用，所需时间高达数千年。若能将测试分子运动的技术融入，将使流体运动的分子水平分析成为可能。纳米科技在革新制造方法的同时，将促使测试水平的大幅度提高。由于水分子的大小及间隙，比纳米仅小一个数量级，只要利用γ射线的下端频率，其分辨率已使单个水分子测量成为可能。这种测试与分析，大多场合还不需要量子力学参与。

对于水，通常假设其粘度独立于流动管道尺寸。一系列实验表明，此假设不成立，特别是水的电偶极矩，在粘度改变中起重要作用。

电水动力学效应——在电介质流体中施加电场产生体积力的效应，是一种新出现的有希望强化单相及相变过程传热效率的技术。在一个相变过程中，电场的非均匀性及流体电介质电容率的非均匀性在流体介质中会产生力的作用。

笔者认为，水动力学的一个直接结果，可能是较大地提高水的加热或者制冷效率。

3.对水生物学的探讨

大概没有人怀疑水对生命（存活生长、健康）的作用，却很少有人潜心研究水与生物学的密切关系。现代科技的发展应该有助于这两者的结合。

植物对水的利用率还是很低的。实验表明，根部从土壤中吸收1 kg水，大约只有1 g用于其组织建造上。

有一个巧合，动物的血就元素的组成而言，与海水的盐类组成很相近。

细胞力学中的Fahraus效应：子管排出的血液压积（红细胞在血液中的体积比）可显著地小于上游母管大容器中的压积。

水的比热容大，使生物的环境温度较稳定。这对生物的光合作用、氧的利用率等重要的生物学因子影响很大。

水对人体有五大作用：（1）参与新陈代谢，水具有溶解能力和电离能力；（2）是构成细胞（细胞质）和体液（胃液、肠液等）的重要组成部分；（3）调节人体体温（如体温升高时出汗水）；（4）保持人体一定的血溶量（血液中的血清由水分、糖、脂肪、电解质和无机盐构成，血含水70%）；（5）是人体关节、肌肉和体腔的润滑剂。

水有“活水”与“死水”之说。活水又名轻水，与雪水有共同之处。活水中的氢原子是氢的主要成分。死水的氢原子为同位素D，又名重氢（氘）。每6000个氢原子中含1个氘原子。有实验证明，氘对生物细胞会产生强烈的压抑作用。因此有人假说，活水的存量就是北方人比南方人寿命长的主要原因之一，也是构成世界文明发源地的因素。