海水淡化工藝裝備研發(fā)現狀

王世明，劉 銀

（上海海洋大學工程學院，上海 201306）

地球表面積約為5.1億km2，其中海洋面積就占了70.8%，全球水的總儲量為14.5億km3，海水占97.5%，而余下的2.5%的淡水中又有87%是人類難以利用的兩極冰蓋、冰川和冰雪，因而實際可利用淡水只占全球水總量的0.32%。進入21世紀以來，全球淡水消耗量增加了7倍，約有14億人缺乏安全清潔飲用水。淡水資源的緊缺使人類紛紛將目光投向大海。

淡化海水是通過脫除海水中的大部分鹽類，使處理后的海水達到生活和生產用水標準的水處理技術。因其生產淡水不受時空和氣候的影響，加之海水取用方便、用之不竭，從而成為開源節(jié)流、解決淡水緊缺的重要途徑。

現行的海水淡化技術按照是否存在相變過程可分為有相變、非相變和混合[1,2]，相變法包括蒸餾法、冷凍法、氣體水化物法等；非相變主要指膜法。目前海水淡化技術超過20種，包括反滲透、低溫多效蒸餾、多級閃蒸、電滲析、壓汽蒸餾、露點蒸發(fā)、水電聯產、熱膜聯產。在能源方面，除利用化石燃料外，還研發(fā)了核能[3]、太陽能[4]、風能[5]、潮汐能、波浪能等可再生能源海水淡化技術。在前、后處理方法方面，微濾、超濾、納濾等多項預處理和后處理工藝已得到工程利用。

1 三種大型商業(yè)海水淡化工藝

1.1 反滲透（RO）

滲透是指淡水通過半透膜擴散到海水一側，使其液面逐漸升高，直至一定的高度才停止，這個過程是自發(fā)的。此時，海水一側高出的水柱靜壓稱為滲透壓,如果對海水一側施加大于海水滲透壓的外壓，那么海水中的純水將反滲透到淡水中，此即反滲透[6]。

反滲透技術的最大優(yōu)點是節(jié)能。從1974年起，美、日等國先后把發(fā)展重心轉向反滲透法。進入21世紀，RO取代了多級閃蒸（MSF）成為海水淡化市場的主力，RO電耗量降到3.9 kWh/t，單機容量達到9 500 m3/d。滲透膜是反滲透技術的主要部件，隨著膜技術日趨成熟，海水反滲透膜脫鹽率已到99.6%，成本也逐步降低。目前國際標準膜元件有Filmtec、Hydranautics、Osmonics、Koch、Toray、CSM、Vontron、BDX等多種。

我國反滲透歷史可追溯至1965年，當時山東海洋學院最先進行了反滲透CA不對稱膜的研究，1997年國家海洋局在浙江舟山建造了500 m3/d反滲透示范工程，1998年在大連長興島建了2×500 t/d工程，以上工程均采用進口膜組件。2004年我國完成了反滲透復合膜器生產線，并提高了平板膜生產和卷式膜原件生產設備的性能和公司水平，可生產納濾膜、超濾膜、微濾膜等18個品種和膜組器。2007年10月由國內設計的單機1萬m3/d的反滲透海水淡化工程建成投產，在單機規(guī)模方面接近國際先進水平。2010年3月開工的青島百發(fā)海水淡化工程是目前國內最大的反滲透工程，產量為10萬m3/d。

1.2 多級閃蒸（MSF）

閃蒸是將工質送入壓力較低的容器，工質突然處于極不穩(wěn)定的過熱狀態(tài)，產生非平衡溫度勢差，工質瞬即發(fā)生閃急蒸餾的現象[7]。將多個閃蒸室串聯起來可組成多級閃蒸系統(tǒng)如圖1所示。經過澄清和加氯消毒處理的海水，首先送入排熱段作為冷卻水，離開排熱段的大部分冷卻海水又排回海中，小部分作為進料海水（補充海水），經預處理后，從排熱段末級閃蒸室流入第一級閃蒸室，逐級降壓，海水逐級降溫，連續(xù)產出淡化水。在多級閃蒸系統(tǒng)中，過程進行的充分程度取決于閃蒸鹽水在閃蒸室的滯留時間和流動狀態(tài)，閃蒸壓降（溫降）的大小主要取決于預熱器的傳熱面積和傳熱性能。多級閃蒸的造水比是所得淡水的重量與所耗加熱蒸汽的重量之比，通常大型裝置的造水比較高。

圖1 多級閃蒸系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Multi-Stage Flash

多級閃蒸技術是中東國家進行海水淡化的主要方式，發(fā)展至今已有60多年歷史。1957年英國人SILVER發(fā)明了多級閃蒸海水淡化方法，因其在降低能耗和防垢方面的獨特優(yōu)越性而迅猛發(fā)展，成為脫鹽技術的主力。世界上單機容量最大的MSF裝置在阿布扎比的Taweelah B站，產量達到57 500 m3/d，總生產規(guī)模為32.4萬m3/d[8]；世界上最大的MSF廠是沙特阿拉伯的Shuaiba海水淡化廠，總規(guī)模46萬 m3/d。

我國在上世紀70年代由天津海水淡化研究所開發(fā)過100 t/d的裝置，1997年上海704所為塔里木東部高濃度苦咸水開發(fā)了30 t/d閃蒸器，1998年華北電力大學負責設計的3 000 t/d的12級原型中間實驗裝置成功試運行168 h。

1.3 多效蒸餾（MED）

多效蒸餾是讓加熱后的海水在多個串聯的蒸發(fā)器中蒸發(fā)，前一個蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的蒸汽作為下一蒸發(fā)器的熱源，并冷凝成為淡水。20世紀70年代開發(fā)了低溫多效蒸餾（LT-MED）技術，如圖2所示。其基本原理：海水自循環(huán)水泵出口引出，經凝聚、澄清、脫氣并加入阻垢劑后，進入熱回收段最低溫度組中，經液體分布器噴淋到各蒸發(fā)器的頂排管上，在自上而下以薄膜形式流動的過程中，部分液體因吸熱而汽化，被濃縮的海水進入蒸發(fā)器的下一組中，在新的一組中重復蒸發(fā)和噴淋過程[9]。

目前最大的低溫多效淡化裝置位于以色列的ASHDOD電廠，制水規(guī)模為11.9萬m3/d，單機日產淡水1.7萬m3/d。以色列IDE公司生產的低溫多效產品系列中最大單機容量達到21 000 t/d的規(guī)模。

圖2 低溫多效蒸餾系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Low－Temperature Multi－Effect Distillation

2004 年我國首臺具有自主知識產權的3 000 m3/d低溫多效海水淡化裝置在山東黃島電廠投入運行，2006年4月由法國Sidem公司引進裝置產能達到2萬m3/d。同年12月法國Weir公司設計、國內為主制造的1萬m3/d裝置在天津投產。首鋼公司和天津北疆電廠通過引進關鍵設備，其低溫多效工程規(guī)模分別為5萬[10]和10萬m3/d。

2 海水淡化新工藝

2.1 電容去離子脫鹽（CDI）

電容去離子脫鹽技術是利用雙電層原理，通過施加靜電場強制離子向帶有反電荷的電極處移動。該技術由大連理工大學邱介山團隊取得創(chuàng)新性突破，僅需要1～2 V的操作電壓，脫鹽過程沒有化學反應，也無需化學試劑再生，不會產生環(huán)境污染[11]。

2.2 迅速噴霧蒸發(fā)（RES）

迅速噴霧技術采用了水霧蒸發(fā)速度更快的原理，其效率可達到傳統(tǒng)蒸發(fā)海水淡化的3倍，1 000 L淡水的成本約$0.5，并克服了傳統(tǒng)蒸發(fā)法中鹽分和污垢固結于熱壁而難以脫落的弊端。這種設備可大可小，便攜式的新設備每天能處理1.1萬L水。其微觀機理：含鹽的水通過高壓噴霧器噴入蒸發(fā)室，瞬間形成細小的水滴；在蒸發(fā)室的熱環(huán)境中，水滴迅速蒸發(fā)，水和鹽分等雜質分離；水蒸氣向上升騰進入冷凝管道成為純水，而鹽分則落在蒸發(fā)室的底部[12]。

2.3 正滲透（FO）[13]

正滲透是一種不需外部壓力，在滲透壓作用下，水自發(fā)地從低滲透壓側流向高滲透壓側的膜分離過程。在半透膜兩側分別放海水和汲取液，汲取液中溶質與水分離后便得到淡水[14]。合適的FO膜和高滲透壓的汲取液可以提高正滲透的效率，汲取液也必須滿足惰性、穩(wěn)定、接近中性、無毒、廉價、易溶，能提供較高滲透壓，不損毀半透膜等條件。

2.4 分子震動脫鹽

分子震動脫鹽是一種低成本、高效率的海水淡化新技術，其過程：海水首先進入結晶裝置中，再施加高頻電壓，海水中鈉離子和氯離子會發(fā)生化合而形成細微食鹽晶體，并逐漸增長為1 μm左右的粒子，這些粒子逐漸生長變大而形成容易被過濾掉的鹽粒。該方法效率是反滲透的3倍，海水利用程度高達95%，不需使用藥劑而且成本低，其鹽分濃度為0.067%左右，氯化鎂等礦物質含量是正常海水的一半，可以成為理想的飲用水。

2.5 石墨烯篩鹽[15]

石墨烯篩鹽海水淡化方法通過精確控制多孔石墨烯的孔徑并添加其他材料，改變孔邊緣的性質，使其如篩子一樣濾掉海水中的鹽從而獲得淡水。石墨烯孔比反滲透膜孔稀疏得多而不需要增壓設備，從而極大降低了海水淡化的能耗，并且石墨烯的原材料廉價且易于獲取，但是其孔徑的納米級精確控制對濾材的生產制備提出了很高的要求，是該技術的核心。

3 海水淡化工藝存在的問題

3.1 能耗及產水成本

從海水淡化技術問世至今，隨著對脫鹽認識的深入、設計操作經驗的累積以及生產制造設備水平的提高，各種能耗及產品成本都有所降低。但是海水淡化大部分情況下仍舊是能量密集型產業(yè)，能耗高。同時，海水淡化技術只有在較大規(guī)模下才能具有價格優(yōu)勢，這也限制了很多中小企業(yè)的發(fā)展。

3.2 結垢

由于海水中含有大量的鈣和硫酸離子等極易結垢的離子，在海水濃縮及加熱后，容易沉積在膜或設備表面，降低設備效率甚至造成安全隱患。目前采用加入阻垢劑及降低回收率的方法加以解決，但這在一定程度上減少了淡水產量。如能更好地解決結垢問題，則可有效提高海水淡化回收率，降低產水成本。目前出現集成耦合技術使用納濾作為海水淡化預處理，在阻垢方面有較好效果。

3.3 濃鹽水綜合利用

從海水中分離出純水后，剩余物即高濃度鹽水，目前主要排回大海。但濃鹽水排回會造成局部鹽度升高而對當地海洋生物環(huán)境造成無法估量的污染，在封閉海域尤為嚴重。事實上，濃鹽水的用途是很廣的，它可以用于制鹽，2012年7月河北國華滄東發(fā)電廠和中鹽長蘆滄州鹽化集團就給“水鹽聯產”做了很好的表率。海水淡化產生的濃鹽水也可以用于鹽化工，從中提取具有高附加值的鉀、溴、鎂等化學元素，同時可以結合電力、冶金和化工等企業(yè)生產工藝中的余熱進行綜合利用，也可以在電廠實現“鹽電聯產”。因此加強零排放系統(tǒng)及濃鹽水的再利用是解決此問題的關鍵。

4 海水淡化研究方向

根據中國水力企業(yè)協會脫鹽分會提供的資料，截止2012年初，我國已建成海水淡化裝置73套，由于技術原因，其中早期建設的6座已停產[16]，建成投產的67處工程設計產能已經到達76萬m3/d?！笆濉币?guī)劃明確要求到2015年我國海水淡化能力達到220～260萬m3/d。海水淡化重點開發(fā)工程項目和研究方向相關歸納如下。

（1）發(fā)展產業(yè)：高智能化的大型反滲透；低溫多效海水淡化成套技術和設備；適用于海島的多能源耦合海水淡化裝置。

（2）核心技術研究方向：海水取水、預處理、工藝耦合、濃海水排放、淡化水后礦化、系統(tǒng)控制和管理。

（3）關鍵裝備：反滲透海水膜元件及膜壓力容器、海水高壓泵及海水高壓循環(huán)增壓泵、能量回收裝置、海水預處理膜過濾裝置、低溫多效海水蒸發(fā)器、蒸汽噴射器等。

（4）新技術和工藝攻克：電吸附、膜膜耦合、熱膜耦合、膜蒸餾、正滲透等，可再生能源利用。

5 結語

從海水淡化技術角度看，反滲透、低溫多效和多級閃蒸是國際上海水淡化工程中應用最多的方法。目前，我國正致力于反滲透主體設備的研制開發(fā)，并且將來很長一段時間反滲透技術仍將繼續(xù)占有主要市場。另外，積極的開展創(chuàng)新性研究，鼓勵自主創(chuàng)新仍然是我國海水淡化領域前進的方向。但是，海水淡化是一個以能源換資源的過程，在很大程度上，成本的控制決定了工藝裝備的存活幾率，無論是國內還是國外，海水淡化工廠關?；蜷e置的案例并不鮮見，降低成本、節(jié)能減排是海水淡化工藝研究的突破點。

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