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地球表面幾乎四分之三被水覆蓋，但其中大部分太鹹而無法飲用。而 2.5% 的淡水要麼被鎖在土壤、偏遠的積雪和冰川中，要麼在深層含水層中。 這使得不到 1% 的所有淡水 供人類和動物飲用，以及供農民種植農作物——而且隨著全球氣溫升高引發更多幹旱，這一剩餘量正在減少。 結果是：隨著人口增長和供水減少，越來越難以滿足世界的需求。 高盛投資銀行的分析師估計，全球用水量每 20 年翻一番。
因此，尋找新水源的工作正在進行中。 一種被證明可行的方案是脫鹽技術——從海洋或鹽水含水層中提取鹽分的脫鹽技術，以製造 飲用水。 但脫鹽技術歷史上高昂的價格在很大程度上使其被擱置，但隨著技術的進步和不斷增長的需求擠壓淡水供應，這種情況正在發生變化。
耶魯大學環境工程師梅納赫姆·埃利梅萊克說：“兩種主要的脫鹽技術是 蒸餾和反滲透，或簡稱 RO。” “蒸餾是將原水蒸發，然後冷凝成淡水，這種方法能源密集型，因此主要用於石油豐富的 中東地區。” 熱脫鹽工藝需要高溫，因此往往成本較高（每立方米淡水超過 1 美元），但使用其他工業或發電廠執行中排放的“廢”熱進行熱電聯產可以降低能源消耗。
然而，更常見的是，脫鹽廠依賴於 RO，它基於高科技聚合物膜，這種膜可滲透水，但會阻止溶解鹽的透過，埃利梅萊克說。 他解釋說，當鹽溶液位於半透膜的一側，而鹽度較低的溶液位於另一側時，水會從濃度較低的一側擴散到濃度較高的一側。 科學家們將這種現象稱為滲透，這種現象傾向於使兩種溶液的鹽度相等。
在 20 世紀 50 年代和 60 年代，研究人員意識到，他們可以透過對濃度較高的溶液施加壓力來逆轉這一過程，從而使水分子穿過膜，留下濃縮的鹽水。 為了抵消溶液之間產生的滲透壓並迫使水迴流透過膜，脫鹽廠必須使用 7,000 至 8,300 千帕（每平方釐米 71 至 86.5 千克力或每平方英寸 1,000 至 1,200 磅）的高壓，他指出。
常見的 RO 膜是薄膜複合材料，它結合了由微孔聚碸製成的機械強度高的支撐層和微米級的聚醯胺“過濾”層，水分子可以透過該層，但其他任何物質都不能透過。 後一種物質是“杜邦 凱夫拉爾 的近親——凱夫拉爾是一種超強芳綸聚合物纖維，用於輕型防彈衣”，明尼蘇達州埃迪納市陶氏水處理解決方案公司 (DWS) 的高階研究科學家比爾·米克爾斯說，該公司是此類產品的最大供應商。 他說，在過去的二十年中，RO 膜已經成熟，在透水性、脫鹽能力、使用壽命（現在長達三到五年）和成本方面都取得了顯著改進。
這些進步，加上能量回收裝置（從濃縮鹽水流中獲取壓力並將大部分壓力轉移到流入的水流中），使脫鹽技術更經濟實惠。 目前的 RO 設施脫鹽海水的成本為每立方米 68 至 90 美分。 根據美國自來水工程協會的資料，美國市政供水的平均交付價格約為每立方米 60 美分。
目前正在進行的其他改進措施包括維持工藝流程的措施。 德克薩斯大學奧斯汀分校的化學工程師本尼·弗里曼說，RO 工廠必須過濾海水並注入化學物質以消除可能導致堵塞的顆粒，並且定期清洗膜以減少結垢和生物膜汙染。 “新增氯是為了 對水進行消毒，”他說，“但操作員通常需要在之後進行脫氯處理，以保護膜免受化學降解。” 弗里曼和弗吉尼亞理工學院暨州立大學布萊克斯堡分校的聚合物科學家詹姆斯·麥格拉斯對耐氯聚碸進行了改性，使其可用作脫鹽膜。
與此同時，其他地方的研究人員正試圖繞過 RO 對高壓的依賴。 埃利梅萊克和企業家羅伯特·麥金尼斯提出了一種稱為正向滲透 (FO) 的工藝，該工藝可以將淨化水所需的能量減少 90%。 FO 利用濃縮的“汲取”溶液和原水流之間的滲透壓差，驅動水透過半透膜。
“合適的汲取溶液意味著您不必完全依靠壓力來完成所有工作，”麥金尼斯指出，他最近成立了一家名為 Oasys 的初創公司，以將該技術商業化。 他補充說，主要挑戰是選擇一種無毒的汲取溶質，這種溶質可以簡單且經濟地去除。
Oasys 計劃使用氨和 二氧化碳混合物 作為汲取溶質。 當溶液被加熱時，溶解的碳酸銨和相關鹽分解成它們的前體氣體，從而易於去除。 麥金尼斯說，Oasys 的工藝可以在少量電力以及工業執行產生的“廢”熱（低於 120 華氏度或 50 攝氏度）下高效執行。 當完全擴大規模後，FO 脫鹽的成本預計僅為每立方米 37 至 44 美分。
伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校水淨化高階材料系統中心 (CAMPWS) 主任馬克·夏農說，更具推測性的脫鹽研究旨在創造“超通量”膜，使水更容易透過。 例如，研究人員已經表明，碳奈米管可以以出乎意料的高流速輸送水。 這些所謂的“水線”可能能夠在給定壓力下透過比現有膜更大的水量，同時仍然阻擋水合鹽。
夏農說，仿生膜技術也在開發中。 這些材料試圖模仿生物細胞膜中微小孔隙的能力，選擇性地允許水流過，同時阻止鹽離子的透過。 例如，丹麥公司 Aquaporin 正在將從綠色植物中提取的天然水通道蛋白（水通道）嵌入膜中，該公司希望今年將其推向市場。 包括 CAMPWS 科學家在內的其他人正在研究人工活性奈米孔結構。
最近，馬德里高階研究院同意與西班牙巴利亞多利德的工程公司 PROINGESA 合作，設計一種電容去離子工藝，該工藝對原水施加電勢，以將溶解的鹽離子吸引到帶相反電荷的電極，並在那裡吸附並隨後去除它們。
國際脫鹽協會 (IDA) 的資料顯示，目前約有 13,000 家脫鹽廠正在執行，每天可生產 5230 萬立方米（138 億加侖）的飲用水。 但這僅佔全球每日用水量的百分之零點五，如果工藝成本能夠進一步降低，這個數字將會增長得更快。 儘管如此，IDA 報告稱，自 1990 年以來，脫鹽設施的建設以每年 17% 的速度增長。
這一趨勢讓許多當地環保組織感到擔憂，例如加利福尼亞州的衝浪者基金會或澳大利亞新南威爾士州自然保護委員會，它們擔心透過安全處置工藝中留下的濃縮鹽水以及化石燃料使用量的增加和由此產生的 溫室氣體排放 來保護附近的生態系統。
無論如何，Lux Research 的一項新的市場分析預測，在未來十年內，隨著澳大利亞、以色列、新加坡、加利福尼亞州和其他國家/地區為海水和內陸微鹹水以及水迴圈利用建造脫鹽廠，全球脫鹽水供應量將以 9.5% 的複合年增長率增長。 這意味著到 2020 年，產量將達到每年 540 億立方米（每年 54 萬億升），是 2008 年的三倍。 CAMPWS 的夏農對此表示贊同，他預測：“在未來幾十年裡，我們將看到脫鹽技術的指數級增長。”