通过水力压裂（俗称“压裂”）生产石油和天然气的热潮被视为满足美国能源需求的福音。但该过程的一种副产品，是从地表深处岩层中浸出盐分后产生的数百万加仑水，其含盐量远高于海水。
现在，麻省理工学院和沙特阿拉伯的研究人员表示，他们已找到一种经济可行的方案，用于去除这种水中的盐分。这项新分析本周发表于期刊 《Applied Energy》，论文由麻省理工学院教授约翰·林哈德、博士后罗南·麦戈文及另外四人共同撰写。
他们提出的处理方法，针对油气井在整个作业过程中产生的“采出水”。该方法已为人所知数十年，但此前并未被视为适用于极高盐度水（如油气井所产生的水）的可行方案。该技术即电渗析，“至少已存在50年”，林哈德说。他是麻省理工学院阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米勒水与粮食教授，并担任麻省理工学院清洁水与清洁能源中心主任，同时隶属于沙特国王法赫德石油与矿产大学（KFUPM）。
该研究团队还包括麻省理工学院的研究生亚当·魏纳、研究生孙立格，以及本科生切斯特·钱伯斯，另有KFUPM的教授赛义德·祖贝尔。
“电渗析通常被认为更适用于相对低盐度的水，”林哈德说。这类水如微咸浅层地下水，在许多地区都能找到，盐度通常约为海水的十分之一。然而，新分析表明，电渗析在盐度谱的另一端同样具有经济可行性。
高盐水
化石燃料油井产出的采出水，盐度可能是海水的三至六倍；新研究表明，通过多级电渗析可有效去除这些盐分。
研究人员表示，这一设想的目标并非将水净化至可饮用的程度。相反，水经处理后只需达到足以回用的标准，即作为后续油井注入的水力压裂液的一部分，从而显著减少对其他水源的需求。
林哈德解释说，如果目标是制取纯水，电渗析的效率会随水的含盐量降低而越来越低，因为该技术要求电流通过水体本身：咸水导电性良好，而纯水则不导电。
麦戈文是麻省理工学院机械工程系的博士后，也是该论文的第一作者。他表示，拟议系统的另一优势在于“盐分去除量的灵活性。我们可以生产任意水平的出水盐度。”他说，安装电渗析系统的成本，似乎与其他广泛使用的采出水处理系统相比颇具优势。
麦戈文表示，目前尚不清楚压裂液的最佳盐度是多少。“目前最大的问题是，水应回用至何种盐度，”他说，“我们提供了一种能够控制该浓度的方法。”
首先过滤
在进入脱盐阶段之前，研究人员设想先采用常规过滤方法去除水中的化学杂质。仍存在的一个不确定性在于，用于电渗析的膜在接触含有微量油或气的水之后，其性能能否保持良好。“我们需要在实验室中对其响应进行一些表征，”麦戈文说。
如果该系统的效果与本分析所示一致，它不仅可以大幅减少需要从农业、饮用水或其他用途中调取的淡水量，还能显著减少需要从这些钻井场地处置的受污染水的体积。
“如果能够实现循环闭合，”林哈德说，“就能减轻甚至消除对淡水的需求负担。”他表示，这对于德克萨斯州等主要产油地区可能尤为重要，该州目前已面临水资源短缺。
林哈德解释说，虽然电渗析技术目前已经可用，但这一应用需要研发一些新设备。
贾克·吉尔隆研究以色列本古里安大学的海水淡化与水处理，并未参与本次研究。他表示，该团队“针对采出水系统中[电渗析]性能的分析，展示了其系统化方法，效果令人印象深刻。”然而，他补充道：“作者正确指出，要真正将[电渗析]应用于该系统，必须解决结垢和有机污染的问题。”
本研究得到了KFUPM、休·汉普顿·杨纪念奖学金以及麻省理工学院能源倡议的支持。
本文与 麻省理工学院新闻
作者：David L. Chandler是一位自由撰稿人兼作家，自1975年起便从事科学写作。他目前担任加州大学伯克利分校布鲁斯·马汉化学教授。他于1966年获得麻省理工学院化学学士学位（S.B.），并于1969年获得哈佛大学化学物理博士学位（Ph.D.）。
图片：2013年8月15日，英格兰南部巴尔科姆的Cuadrilla钻井场地。REUTERS/Gareth Fuller/Pool
