立即下载 知乎日报 每日提供高质量新闻资讯

自来水真的干净吗?心里有点嘀咕,挑饮水机时看看这个词

图片:CeresB / CC BY

第 15 篇 水知道什么答案?——说一说纯净水

孙亚飞,分子美食家/专栏http://zhuanlan.zhihu.com/renchouduodushu

就在前不久,一位长辈亲戚煞有介事地问我咨询一个品牌的家用净水机。

“能不能买?”她在发来相关资料之后,火急火燎地问。

我粗略看了一下,觉得不是很值当,不过受这件事的启发,我倒也想系统地说说,到底水里面藏着哪些秘密,我们能从中获得些什么答案?

 

在给我这位长辈解答的时候,我先是简单粗暴地回应说,这技术太老土了,不值这个价,市面上有性价比更高的选择。然而,她却不依不饶,大有朝不闻道夕不挂电话的架势,直逼我从最基本的原理说起。

首先呢,之所以我们需要喝处理过的“净水”,很显然,是因为我们的水出了些什么问题。

在漫长的农耕时代,水的最大敌人是微生物与寄生虫。尤其是定居性城市,由于生活污水排放不及时的原因,地表水会因为人和动物粪便所带来的微生物及寄生虫卵所污染,偏巧呢,有人和家畜的地方,水中的有机质也是不缺的,于是这些活得很滋润的微型生物们便成了传播疾病的元凶,时不时还能掀起一场瘟疫。

这样的问题,直到现在也仍然普遍存在。我国解放之初,农村的传染病以及全国性的寄生虫感染,催生了一条基本健康原理的推广过程,那就是要喝开水。当然,在此之前不是没有开水,只不过人们并没有普遍知晓,喝开水和疾病之间原来还有这么一层关系,煮水泡茶更像是一种士大夫们闲暇享受。在将水烧开的过程,大多数致病菌与寄生虫卵均会被杀死,这也成为当时最有效的一种净水流程。

不过,随着战后重建的展开,农业开始恢复,农药与化肥得到普及,又给水资源带来了新的挑战。比如经典的六六六、滴滴涕(DDT),由于在自然界中不易降解,会随着水体到处扩散,并在生物体内开始累积。尽管《寂静的春天》当中,蕾切尔·卡森重点关注的是那些春天里不能再回到树林中唱歌的候鸟,但其实我们都知道,处在食物链这金字塔的顶端,人类自己才是最大的受害者。至于化肥带来的问题,可不是金坷垃那样在圣地亚哥左右美国政坛,而是切切实实地造成了水体富营养化以及大量的土壤矿物质流失。

雪上加霜的是,改革开放的热潮又带动了工业的发展,尤其是在居民区内就地生长的各类小印染厂、食品厂、皮革厂等等,又给我们的饮用水带来了新的色彩与新的味道。这样的描述一点都不带夸张,比方我所成长的村子里,在上世纪八九十年代时,有一大批生产豆制品、肉制品和油脂制品的家庭式企业,大量的蛋白质流入水中,水生生物只剩下一些叫不上名字的藻类,由此形成的水华虽然叫整片河流毫无生机,但多彩的纹路大概可以给画家们带来创作灵感,只要他们写生时可以忍受不断散发出的恶臭。更讨厌的是,由于地表水中钙、镁离子的积累,导致村中的井水也变成了苦卤味,煮开的过程中形成大量水垢倒是其次,可由于这些离子导致的怪异口感,却无法消除。

不过横向对比,这样的污染已经算是很温和了,因为有些工业还会带来一种更致命的幽灵——重金属。

要说起重金属导致水污染的问题,就不得不提起我们的邻国日本了。在 20 世纪最严重的几次重金属大面积中毒事件中,日本独占两项,分别是由汞引起的水俣病与由镉引起的痛痛病。重金属中毒,可以出现癌变、畸形等恶性症状,而最令人不寒而栗的一点,是其不可恢复的特点,病患直到死亡之前,都会一直饱受病痛或残疾的折磨。

因为有日本的案例在前,我国在工业大发展的过程中有所警惕,到目前还没有造成同等规模的重金属公害,但污染问题却是真切地围在我们身边。在对我国城市周边河流的调查中发现,35.11%的河段有汞超标的问题,并有 18.46%的河段有镉超标的问题。其实,就算不看这些数据,时不时发生的一些事件,如 2009 年陕西凤翔大面积出现的铅中毒、2011 年云南曲靖南盘江的铬污染、2012 年广西龙江河的镉污染……都在不断敲打着我们的神经。

总而言之,在目前的工农业条件下,水污染的问题确实非常复杂,微生物与寄生虫的隐患从未远去,而各类有机物、矿物质离子以及重金属,对净水工艺提出了新的要求。

 

说到这儿,有人会问,我们现在不都是喝自来水了吗,还能有什么问题?

就比如说我所在的村子吧,因为这些家庭作坊搞坏了水源,大家每天都这么喝苦水也不叫事,于是大约在 2000 年左右,忍无可忍的居民们与最大的一些工厂谈判,最终推动了自来水入村的计划,取水地在几公里以外,利用完善的凝聚、沉淀、过滤、杀菌、消毒等流程,可以将大多数污染物拒之门外,居民们重新喝上了干净的水。

然而,从已经被污染的水源取水,加工出的自来水就真的干净吗?不少人其实心里还是犯嘀咕的,而且那股游泳池的消毒水味儿也让人很不舒服。

这其实也难怪。

工业化的自来水生产过程,对于污染物的控制,是使其降低到可以接受的程度,并不能彻底消除。在 GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》中,我国共对自来水提出了 106 项指标,其中常规检测项 42 个,对各类盐(矿物质)、重金属元素以及常见的农药含量都提出了要求,只要符合要求,自来水通常都是安全的。

但需要注意的是,仅这 42 个常规检测项,显然做不到全面覆盖,例如非常影响感官体验的氨氮含量,就是非常规检测项。实际上,即便把这 106 项全都算上,也不能确保一些小概率事件不会发生,比如二噁英的风险——这东西的威名就不用多说了。由于自来水通常采用氯气消毒,这个过程本身就可能会产生一些二噁英。基于这一缘由,不少国家目前已经采用臭氧替换了氯消毒剂,不过尚未普及。

所以,自来水对于我们而言,相当于是温饱水平,可以在很大程度上实现安全用水,但随着人们对生活品质的要求越来越高,社会主义初级阶段的主要矛盾还是会爆发出来。所以对于我这位长辈对纯净水的需求,我是十分理解。

 

在我的实验室中,有一间大约 10 平米的屋子,摆放着几个不同规格的大桶,密密麻麻的管线将它们串联起来,错综复杂的电线连着电源、传感器以及输送泵等各种设备。

这是一台工业级的二级 RO 反渗透膜净水设备,每小时的设计流量为 0.5 吨,在数量和质量上都可以满足实验室及中试车间对水的要求。

在我继续向长辈解说水的答案时,我提起了这台设备。

然而,我很难将这个设备的原理在电话里讲明白,只能告诉她,用这台设备做出来的水,别说喝了,就是做一般的光谱实验也足够了。

(啥叫光谱实验?)

(……)

我果然又成功地挖了一个坑。

我想把自己埋了。

其实 RO 反渗透这个过程吧,我们其实在高中的生物学中就曾经接触过。比方说,取一只红细胞,把它放到清水里,我们就可以观察到,红细胞就跟水蛭似的,乐此不疲地吸收着水分,慢慢地鼓起来,最后居然就爆了。被撑死的金鱼或许不存在,但血红细胞居然会被清水撑死。反之,如果把血红细胞扔到浓盐水里,则可以观察到它逐渐萎缩,就像鲜枣变成了枣干。

无论是怎样的现象,实际发生的都是水透过细胞膜转移的过程,只不过前者是从细胞膜外到了膜内,而后者则是从膜内转移到了膜外,我们将此称为“渗透”。当我们找来一个像细胞膜那样的半透膜时,也就是除了水,其他的什么离子、大分子都不能自由通过,于是就会发现,如果膜的两边压强相同而浓度不同,水分子就一定会从低浓度的一边“渗透”到另一边。换句话说,渗透是个自发的过程,而渗透的结果,就是浓度高的那一侧,最终压强也会升高,放在清水中的血红细胞就是这么给自爆了。

也正是这个原因,导致了绝大多数鱼类不能在海水和淡水中自由切换。

而我们人类则基于此发挥了主观能动性——既然渗透会导致高浓度一侧的液压上升,那如果给这一侧施加那么一丢丢压力,是不是就能阻止这个过程呢?

(图片来自网络)

答案是肯定的,而这个压力值,就被称为“渗透压”。

进一步来说,假如我们施加一个比这个“渗透压”还要大的压力,是不是就能从含有各种杂质的水中挤出清水了呢?

答案也是肯定的!

所以,只要我们舍得卖力气,就可以把这个自发进行的“渗透”给逆转过来,变成“反渗透”,净水就得到了。

当然,再厉害的半透膜也不能做到百分之百筛选出水分子与其他分子或离子,因此经过这么一次处理,仍然还会有一部分漏网之鱼钻到了净水的那一侧。不过,这个比例其实已经很低了,而且,我们只需要如法炮制,在原来的基础上再来这么一次,那纯净的程度,就能够满足绝大多数实验的需求了,而这也就是一级与二级之间的区别。举例来说,在我们这间实验室安装的净水机,取来的原水是自来水,电导率是 70-100 μS/cm(电导率即电阻的倒数,纯净的水是绝缘体,导电性非常差,而当水中存在一些离子时,电导率便会上升),经过一级 RO 反渗透膜处理后,数值降到了 3 左右,而经过了二级之后,便稳稳地显出示数:0.00,可见其洁净程度(见题图)。换句话说,经过一级反渗透之后,我们可能还用担心有些什么残余的重金属或者二噁英,而经过二级处理,连水中最常见的钠离子都消失殆尽了,其他杂碎还有什么可顾虑的?此外,在出水口的位置还有一盏紫外灯,用于消毒灭菌,所以经此处理得到的水,是完全可以直接饮用的纯净水。

我很清楚地知道,夹杂着一些术语的解释,让我这位长辈不明觉厉了,但她还是感到不解,问道,市场上还有很多纯水机,其他原理的就不行吗?

当然这个问题也难不倒我。实际上我们处理水的方式,大体有三类:第一类是吸附性颗粒,比方说自来水生产流程中所用的明矾絮凝剂,是借助于水解产生的氢氧化铝进行吸附,再比如活性炭,则是因为其多孔的结构而具备强吸附性;第二类是过滤膜,只要粒径大于一定程度,就不会被允许通过;第三类便是离子交换树脂,主要是为了脱盐。实际上,成熟的净水技术都是这些流程经过组合叠加而成,然而这几类处理法,都不能做到精确选择,比如吸附力弱的中性小分子,上述方法都无能为力,最终也还是会随波逐流,来到饮水机的出水口。

在过去,由于反渗透技术不成熟,且成本较高,在商业上并没有什么优势,但如今不同了,一台反渗透的净水机,入门级的也才两千左右,滤芯更换频率还更低,所以不消说,那些借讲课之名兜售过时技术的互助交流团体,恐怕只是在高价清理库存,收割一波智商税罢了。

 

解释到此,这件事便这么消停了,但我深感此次科普的效果有限,因为直到最后,我这长辈还在问,这“啊哦”是哪俩字,我只能挂了电话用信息发送了“RO”这两个字母。

不过,既然现在大家对饮用水的要求更高了,我是不是可以用实验室这台设备做点副业呢?一小时就是 0.5 吨,可以灌出 1000 瓶纯净水呢……

扫描二维码下载知乎日报

支持 iOS 和 Android
二维码下载知乎日报
阅读更多 Music 一响起,闭上眼,脑海中便浮现出了画面…… 下载 「知乎日报」 客户端查看更多