熱法海水淡化新興技術(shù)研究綜述

李長松 徐暢達(dá) 王 棟 上海海事大學(xué)商船學(xué)院

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熱法海水淡化新興技術(shù)研究綜述

李長松 徐暢達(dá) 王 棟 上海海事大學(xué)商船學(xué)院

摘要：總結(jié)了近年來3種基于熱法的海水淡化新興技術(shù)研究進(jìn)展，并對其進(jìn)行了綜合分析與比較。新興熱法技術(shù)主要包括膜蒸餾（Membrane Distillation，MD）、熱膜耦合、增濕-去濕（humidification-dehumidification，HDH）。

關(guān)鍵詞：海水淡化；熱法；新興技術(shù)；研究進(jìn)展

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，使水資源供應(yīng)短缺成為僅次于全球氣候變暖的世界第二大環(huán)境問題，至2025年，全球預(yù)計(jì)將有近1/3人口缺水。此外，2030年前中國工業(yè)缺水量將達(dá)到600億m3以上［1］。因此，為保證我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，除了通過科學(xué)管理提高水資源利用率，還需重視開發(fā)海水淡化等水處理新技術(shù)以應(yīng)對水資源危機(jī)。上海市有2/3的飲用水水源地水質(zhì)不合格［2］，未來上海的人口規(guī)模將由目前的2 500多萬增加到3 000萬甚至更多，水危機(jī)將是上海市未來面臨的一個最嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

在海水淡化的發(fā)展歷程中，已逐漸形成了以多級閃蒸（Multi Stage Flash，MSF）、低溫多效蒸餾（Low Temperature-Multi Effect Distillation，LT-MED）和反滲透膜法（Reverse Osmosis，RO）為代表的3大主流技術(shù)。目前熱法中的多級閃蒸和低溫多效蒸餾技術(shù)占全球海水淡化市場份額的30%，反滲透膜法為65%［3］。

1　熱法海水淡化新興技術(shù)

熱法海水淡化的基本原理，是基于鹽水分離過程中熱量輸入與輸出所引發(fā)的水的相變過程。近年來，經(jīng)過不斷改進(jìn)與創(chuàng)新，其研究方向主要集中在將熱相變過程和膜法相結(jié)合的技術(shù)上，包括膜蒸餾和MSF/RO熱膜耦合技術(shù)。此外，為降低能耗，利用可再生新能源，還開發(fā)了增濕-去濕技術(shù)。

1.1膜蒸餾海水淡化

MD的基本原理如圖1所示。膜兩側(cè)溫差產(chǎn)生的蒸汽壓差作為傳質(zhì)推動力，料液中的水或揮發(fā)性物質(zhì)以蒸汽形式透過疏水性微孔膜，直接或間接的被膜另一側(cè)的冷料液冷凝，從而達(dá)到將混合物分離、提純或者濃縮的目的。膜通量，即產(chǎn)水量是體現(xiàn)MD效果的關(guān)鍵參數(shù)，主要與MD的冷凝方式、膜材料及操作工況相關(guān)。

根據(jù)冷凝方式的不同，膜蒸餾過程可分為直接接觸式膜蒸餾（Direct Contact Membrane Distillation，DCMD）、氣隙式膜蒸餾（Air-Gap Membrane Distillation，AGMD）、真空膜蒸餾（Vacuum Membrane Distillation，VMD）和氣體吹掃式膜蒸餾（Sweep Gas Membrane Distillation，SGMD）4種形式，不同形式對苦咸水及海水淡化的詳細(xì)研究可參見Wang［4］和趙晶［5］的研究。

用于MD的膜材料包括聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙烯（PP）、聚偏氟乙烯（PVDF）等［6］。MD膜典型的孔隙率為0.06～0.85，孔徑為0.2-1.0μm，膜厚度為0.06～0.25 mm。其中，聚四氟乙烯膜疏水性好，耐高溫、穩(wěn)定性較好，但制作成本高，目前應(yīng)用較少；聚丙烯膜由于制作容易、價格低廉而最常用，但存在疏水性和穩(wěn)定性相對較差等缺點(diǎn)；聚偏氟乙烯膜性能和穩(wěn)定性介于聚丙烯膜和聚四氟乙烯膜之間，故近年來得到更多研究［7］。

圖1　膜蒸餾原理圖

為提升膜通量，Wang［3］發(fā)現(xiàn)膜通量不受給水含鹽度的影響。Teoh［8］改進(jìn)了膜組件設(shè)計(jì)，使用間隔器及擾流板增強(qiáng)了湍流擾動，增大了傳熱傳質(zhì)綜合系數(shù)，與未改進(jìn)前相比，在75℃時使膜通量提升了11%～49%。李歡［9］用減壓膜蒸餾對渤海海水進(jìn)行了研究，得到的最大膜通量為17.6 kg·m-2·h-1，發(fā)現(xiàn)隨著料液溫度與膜通量呈正相關(guān)關(guān)系。李玲［10］利用減壓膜蒸餾對地下苦咸水進(jìn)行研究，結(jié)果表明料液濃度對膜通量的影響呈倒S形，料液溫度對膜通量的影響呈指數(shù)關(guān)系，水蒸汽壓平方根差與膜通量呈直線關(guān)系。徐夫臣等［11］用真空膜蒸餾對海水淡化過程進(jìn)行了強(qiáng)化研究，在膜蒸餾純水過程中，通入氣體能夠較好地強(qiáng)化過程。李卜義［12］利用響應(yīng)曲面法對中空纖維空氣隙式膜蒸餾海水淡化過程的影響因子和膜通量指標(biāo)進(jìn)行了模擬優(yōu)化，通過面向中心復(fù)合設(shè)計(jì)法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并引入太陽能作為驅(qū)動熱源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到的最大膜通量為6.47 kg·m-2·h-1。

此外，MD還能與RO相結(jié)合，增加RO過程中給水回收率。Qu［13］將DCMD和快速沉淀軟化法相結(jié)合后應(yīng)用于RO，用NaOH和方解石調(diào)節(jié)pH值，再經(jīng)微細(xì)過濾掉晶種雜質(zhì)，能有效防止反滲透后的濃縮液堵塞DCMD膜組件。通過該方法，使RO的給水回收率增長到98.8%，經(jīng)300 h連續(xù)運(yùn)行后膜通量僅減少了20%。

目前，MD還未得到廣泛應(yīng)用，主要是由于膜通量低、熱效率不高、長期運(yùn)行后膜組件受污染以及給水預(yù)處理帶來成本上升等問題未得到根本解決。因此，研發(fā)具有高膜通量、高耐久性的超疏水膜以及改進(jìn)MD組件膜蒸餾形式是MD未來研究的趨勢。

1.2MSF/RO熱膜耦合

熱膜耦合技術(shù)將熱法和膜法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，不僅可提高熱法海水回收率、減少排放熱量、降低設(shè)備結(jié)垢風(fēng)險，還能提高膜法淡水的產(chǎn)量、簡化工藝、提高回收率。目前其主要應(yīng)用有以下3種。

（1）將MSF單元排放的鹽水與部分冷卻海水混合作為RO單元的進(jìn)水。這樣可提高海水回收率，并使RO單元的進(jìn)水溫度升高，因此可以增大RO膜通量或降低RO膜的操作壓力從而降低系統(tǒng)能耗。對于該工藝，RO單元的進(jìn)水溫度每升高1℃，RO膜通量能提高2%～3%［14］。由于MSF和MED產(chǎn)水的總?cè)芙鉂舛龋═DS）含量通常低于10 mg/L，而RO產(chǎn)水TDS含量較高，可將MSF/MED產(chǎn)水與RO產(chǎn)水進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)分質(zhì)供水，與單一的RO淡化系統(tǒng)相比可以降低13%的成本［15］。

（2）利用RO單元預(yù)處理原料海水，改變MSF單元的進(jìn)水水質(zhì)。海水中含有一定濃度的易結(jié)垢離子（如Ca2+、Mg2+、SO42-和HCO3

-），在熱法裝置中通常要限制其運(yùn)行的最高鹽水溫度（TBT）以防止出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。沙特的鹽水轉(zhuǎn)換公司（SWCC）［16］采用可去除大部分易結(jié)垢離子的納濾（NF）作為MSF的預(yù)處理，將MSF的TBT提升至130℃，且在運(yùn)行過程中無需增加阻垢劑，其海水回收率由常規(guī)的35%提高至70%。

（3）實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)電系統(tǒng)和制水系統(tǒng)的良好匹配，使水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)高效。如果只采用MSF技術(shù)進(jìn)行海水淡化，其淡化水的比能耗隨著發(fā)電負(fù)荷的增大而減小，如果采用50% MSF和50% RO耦合技術(shù)進(jìn)行海水淡化，其淡化水的比能耗基本不受發(fā)電負(fù)荷的影響，比能耗約為單一MSF淡化發(fā)電系統(tǒng)比能耗的60%［17］。

熱膜耦合海水淡化技術(shù)能夠充分發(fā)揮熱法和膜法兩種海水淡化的技術(shù)優(yōu)勢，從而降低總體系統(tǒng)的投資費(fèi)用和運(yùn)行成本。但作為一種尚不成熟的技術(shù)，未來還需對RO和更高效的LT-MED海水淡化技術(shù)相耦合、新型膜分離過程與熱法海水淡化相耦合、熱膜耦合技術(shù)的區(qū)域適用性等方面深入研究。

1.3增濕去濕海水淡化

增濕去濕淡化裝置一般包括蒸發(fā)室、冷凝室和加熱器三部分，其原理是讓載氣（一般是空氣）在蒸發(fā)室與海水相互接觸并被增濕，然后進(jìn)入冷凝室去濕冷凝獲得淡水，冷凝潛熱一般通過預(yù)熱進(jìn)料海水進(jìn)行回收，加熱器可以用來加熱海水或蒸汽。

為減少增濕去濕法的能耗，提高造水比（gained output ratio，GOR），學(xué)者們做了許多工作。Chafik用太陽能集熱器來循環(huán)加熱空氣，一個四級循環(huán)系統(tǒng)能使蒸發(fā)器出口空氣濕度從4.5%提高至9.3%。然而Narayan［18］指出該過程GOR只增長了9%，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)增濕去濕淡化裝置的缺點(diǎn)在于循環(huán)的海水不能有效地冷凝載濕氣體，而采取高效率的增濕措施可以降低循環(huán)海水的溫度從而提高淡水產(chǎn)量［19］。因此他提出了一種壓力驅(qū)動的噴淋式增濕去濕淡化裝置［20］，空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮增壓升溫后進(jìn)入冷凝室，在冷凝室中冷凝并預(yù)熱進(jìn)料海水，降溫去濕后的空氣進(jìn)入蒸發(fā)室之前經(jīng)過一個膨脹閥，因此，蒸發(fā)室中的壓力比冷凝室中的壓力低，在不改變冷凝室壓力的情況下，進(jìn)一步增加蒸發(fā)室的空氣濕度，理論分析表明該類裝置的造水比可以達(dá)到5。此外，Narayan［19］還使用RO來淡化蒸發(fā)器的濃海水，結(jié)果表明能耗有所降低，但該技術(shù)中對中壓蒸汽的獲取十分關(guān)鍵。Khalifa［21］利用自然對流使空氣循環(huán)，平衡了HDH系統(tǒng)的溫差，使能耗降低到120 kWh/m3。Hamieh［22］和Beckman［23］則采用露點(diǎn)蒸發(fā)技術(shù)［24］（將冷凝潛熱直接傳遞到蒸發(fā)室，為蒸發(fā)海水提供汽化潛熱）來提升熱效率，但該技術(shù)需要很大的冷凝換熱面，導(dǎo)致系統(tǒng)占地面積增加。

在沙漠地區(qū)，溫室集成的太陽能增濕-去濕脫鹽方法［25］更具優(yōu)勢，其在獲取淡水的同時，還能控制溫室環(huán)境，種植高附加值作物。Perret等［26］設(shè)計(jì)的一套溫室系統(tǒng)在進(jìn)口和出口都安裝有蒸發(fā)器。在進(jìn)口蒸發(fā)器中，空氣與成滴狀落下的海水直接接觸而被增濕，然后在溫室中繼續(xù)受熱、升溫，在出口的蒸發(fā)器中被進(jìn)一步增濕至飽和，最終通過冷凝器與溫度較低的海水換熱而制得淡水。研究了不同長度和寬度的溫室的產(chǎn)水能力，結(jié)果表明，在沿著空氣流動的方向上，溫室的寬度是淡水生產(chǎn)重要的控制因素，增加溫室寬度有助于提高淡水的產(chǎn)量。

增濕去濕海水淡化技術(shù)具有規(guī)模靈活、結(jié)構(gòu)簡單、成本適中、維護(hù)簡單以及可因地制宜地利用低位熱能和各種可再生能源等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。但基于該技術(shù)的海水淡化裝置還存在一些問題，如：淡水產(chǎn)量有待提高；海水溫度降低時，導(dǎo)致傳熱傳質(zhì)驅(qū)動力減小，因此提高了對冷凝換熱器的要求；部分裝置中耗能元件較多，故產(chǎn)水成本較高。

2　3種技術(shù)特點(diǎn)的比較

上述3種新興技術(shù)的特點(diǎn)比較如表1所示。

3　結(jié)語及展望

目前大規(guī)模工業(yè)化海水淡化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，隨著對淡水需求的不斷增加，海水淡化技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出幾個新特點(diǎn)。一方面，是對現(xiàn)有工藝進(jìn)行提升，進(jìn)一步增大單臺產(chǎn)能，降低造水成本；另一方面，是開發(fā)新技術(shù)，利用新能源以降低運(yùn)行成本。具體表現(xiàn)在下述幾個方面［29］［30］。

（1）熱法（主要指MSF和MED）和RO在未來較長時期內(nèi)仍然是海水淡化的主流工藝；

（2）各種相關(guān)工藝與技術(shù)的耦合變得更加普遍，例如水電聯(lián)產(chǎn)、熱膜耦合和雙膜法等；

（3）海水淡化工藝與淡化后濃海水綜合利用技術(shù)耦合受到了廣泛關(guān)注；

（4）利用太陽能風(fēng)能核能等一系列新能源進(jìn)行海水淡化的新工藝發(fā)展迅速；

（5）新型海水淡化技術(shù)的開發(fā)投入不斷增大。

膜蒸餾技術(shù)自從20世紀(jì)60年代誕生以來，由于其設(shè)備簡單、操作方便、幾乎在常壓下操作，但由于熱利用率低、膜材料等的限制，尚未得到大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。熱膜耦合能充分發(fā)揮熱法和膜法兩種海水淡化技術(shù)的優(yōu)勢，從而降低系統(tǒng)的投資費(fèi)用和運(yùn)行成本，目前尚處于初期發(fā)展階段。增濕-去濕技術(shù)充分利用了可再生能源，未來研究將集中在新型聚合物傳熱傳質(zhì)元件、提高熱能利用效率的途徑上?？傊?，新能源及低品位熱源的廣泛利用為基于熱法的海水淡化新技術(shù)帶來了不斷的研究動力。

表1　基于熱法的新興淡化技術(shù)比較

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Energy Conservation of Shanghai Colleges and Universities Column
上海高校節(jié)能專欄

Summary of Emerging Technology Research of Seawater Desalination on Heat Method

Li Changsong，Xu Changda，Wang Dong
Shanghai Maritime University Merchant Marine Academy

Abstract：The article summarizes three kinds emerging technology research progress of seawater desalination on heat method in recent years.It also carries out comprehensive analysis and comparison.Emerging technologies on heat method include Membrane Distillation （MD），Hot Membrane Coupling，Humidification-Dehumidification （HDH）.

Key words：Seawater Desalination，Heat Method，Emerging Technology，Research Progress

［作者簡介］

李長松：（1989-），男，碩士，研究方向?yàn)橛酂崂煤退幚怼?/p>

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.04.001