海水淡化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

文/李晨，集美大學(xué)

引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及環(huán)境污染問題的日益加劇,水資源極度緊缺已成為一個(gè)世界性的普遍問題。目前,全世界有100多個(gè)國(guó)家存在不同程度的缺水問題。我國(guó)的人均水資源占有量只有2200立方米,僅為世界平均水平的1/4,是全球人均水資源占有量最貧乏的13個(gè)國(guó)家之一。世界上可被人類直接利用的淡水資源不到總水資源的0.01%,而人口的增長(zhǎng),農(nóng)業(yè)和工業(yè)的發(fā)展,導(dǎo)致淡水尤其是潔凈的淡水迅速減少。目前有3億人口需要靠海水或含鹽地下水的再加工來(lái)獲取生活用水,因而海水淡化具有重大戰(zhàn)略意義和發(fā)展前景。然而,海水溫度、洋流和鹽度等對(duì)于其淡化都是非常重要的影響因素,需要在脫鹽等技術(shù)方面加以深入研究與探討。

1 海水淡化技術(shù)簡(jiǎn)介

海水淡化是指脫去海水中多余的鹽份和其他礦物質(zhì)的過程。全球海水淡化技術(shù),從大的分類上看,主要分為蒸餾法(熱法)和膜法兩大類，目前，世界上裝機(jī)應(yīng)用的海水淡化膜方法主要有多級(jí)閃蒸(M SF)、多效蒸發(fā)(MED)和反滲透法(RO)，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)己養(yǎng)活了世界上1億多的人口，促進(jìn)了干旱沙漠地區(qū)和發(fā)達(dá)國(guó)家沿海經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。其中MED法、MSF法和RO法是當(dāng)今海水淡化三大主流技術(shù),并且已經(jīng)成功開展了大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。

2 海水淡化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

截止2000年為止，世界上已有每天處理量大于100立方米海水淡化裝置24600個(gè)，總處理容量已達(dá)到3200萬(wàn)立方米每天。

在我國(guó)，海水淡化年產(chǎn)量也已超過千萬(wàn)噸，中國(guó)是繼美、法、日、以色列等國(guó)之后研究和開發(fā)海水淡化先進(jìn)技術(shù)的國(guó)家之一，繼西沙群島日產(chǎn)200噸電滲析海水淡化裝置成功運(yùn)行后，先后在舟山建成了日產(chǎn)500噸反滲析海水淡化站，在大連長(zhǎng)海建成日產(chǎn)1000噸海水淡化站。

3 海水淡化裝置

3.1 蒸餾法：蒸餾淡化過程的實(shí)質(zhì)就是水蒸氣的形成過程，其原理如同海水受熱蒸發(fā)形成云，云在一定條件下遇冷形成雨，而雨是不帶咸味的。

3.2 冷凍法：冷凍法，即冷凍海水使之結(jié)冰，在液態(tài)淡水變成固態(tài)冰的同時(shí)鹽被分離出去。

3.3 反滲透法：通常又稱超過濾法，是1953年才開始采用的一種膜分離淡化法。該法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質(zhì)透過的半透膜，將海水與淡水分隔開的。反滲透法的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能。它的能耗僅為電滲析法的1/2，蒸餾法的1/40。

3.4 太陽(yáng)能法：人類早期利用太陽(yáng)能進(jìn)行海水淡化，主要是利用太陽(yáng)能進(jìn)行蒸餾，所以早期的太陽(yáng)能海水淡化裝置是盤式太陽(yáng)能蒸餾器，人們對(duì)它的應(yīng)用有了近150年的歷史。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、取材方便，至今仍被廣泛采用。太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)由于不消耗常規(guī)能源、無(wú)污染、所得淡水純度高等優(yōu)點(diǎn)而逐漸受到人們重視

3.5 低溫多效：多效蒸發(fā)是讓加熱后的海水在多個(gè)串聯(lián)的蒸發(fā)器中蒸發(fā)，前一個(gè)蒸發(fā)器蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽作為下一蒸發(fā)器的熱源，并冷凝成為淡水。其中低溫多效蒸餾是蒸餾法中最節(jié)能的方法之一。

3.6 多級(jí)閃蒸：所謂閃蒸，是指一定溫度的海水在壓力突然降低的條件下，部分海水急驟蒸發(fā)的現(xiàn)象。目前全球海水淡化裝置仍以多級(jí)閃蒸方法產(chǎn)量最大，技術(shù)最成熟，運(yùn)行安全性高彈性大，主要與火電站聯(lián)合建設(shè)，適合于大型和超大型淡化裝置，降低單位電力消耗，提高傳熱效率等。

4 海水淡化技術(shù)的應(yīng)用

在位于以色列特拉維夫市南10米處的一片地中海海灘上，一家新建的大型工業(yè)工廠正晝夜不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。這是世界上最大的現(xiàn)代化海水淡化廠，提供整個(gè)國(guó)家20%的居民用水量。該工廠由以色列海水淡化企業(yè)或IDE技術(shù)公司為以色列政府承建，建設(shè)成本5億美元左右，工廠使用傳統(tǒng)的淡化技術(shù)，即反滲透（RO）海水淡化。得益于一系列工程技術(shù)進(jìn)步和材料的改善，工廠海水淡化的成本降低，淡化規(guī)模更達(dá)到史上最高。全世界大約有7億人口缺乏清潔用水。十年后，該數(shù)字可能會(huì)暴增到18億。在許多地區(qū)，從海洋中提取淡水是增加供水量的唯一可行途徑。這家新建的以色列工廠，名為So rek，于2013年后期最終完成，目前剛投入全容量生產(chǎn)；預(yù)計(jì)每天能生產(chǎn)62.7萬(wàn)立方米淡水，這說(shuō)明，像這樣的大型海水淡化工廠確實(shí)可行、有效。實(shí)際上，淡化海水是目前以色列主要的供水來(lái)源。20 04年，以色列供水還完全依賴地下水和雨水，到現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)已有四家海水淡化廠正在運(yùn)行——其中Sorek規(guī)模最大。這些海水淡化廠清潔用水供應(yīng)量在以色列全國(guó)供水量中占40%。到2016年，以色列將投入運(yùn)行更多海水淡化廠，屆時(shí)，預(yù)計(jì)整個(gè)國(guó)家用水量的50%左右均來(lái)自海水淡化。一直以來(lái)，業(yè)界對(duì)反滲透技術(shù)的詬病在于，成本太高。該技術(shù)過程需要大量能耗，將鹽水壓向聚合物膜并使之滲透，聚合物膜上布滿小孔，能濾出淡水、留下鹽離子。Sorek計(jì)劃以每立方米58美分的價(jià)格向以色列水務(wù)管理局出售淡水（1000公升淡水，即以色列一個(gè)人一周的用水量），與目前傳統(tǒng)海水淡化廠相比，該價(jià)格已經(jīng)偏低。而且，Sorek的能耗在世界上所有大規(guī)模海水淡化廠中最低。Sorek海水淡化廠在工程學(xué)方面做了相應(yīng)改進(jìn)，因而與先前的RO法淡化廠相比，效率 更高。它是世界上首家使用直徑16英寸而非8英寸壓力管的大型海水淡化廠，所需管道及其他硬件的數(shù)量?jī)H為傳統(tǒng)淡化廠的四分之一，如此便大幅度降低了成本。此外，So rek還配置有高效泵和能量回收設(shè)備。澳大利亞、新加坡，以及某些波斯灣國(guó)家已經(jīng)在大量利用海水淡化供水，加利福尼亞州現(xiàn)在也開始積極地投入該項(xiàng)技術(shù)的使用中。

5 海水淡化技術(shù)的發(fā)展前景

5.1 加州大學(xué)研發(fā)出新型外置復(fù)合式拋物面聚光海水淡化系統(tǒng)

2015年，美國(guó)加州大學(xué)默塞德分校太陽(yáng)能技術(shù)研究所的研發(fā)人員開發(fā)出了一種名為XCPC的外置復(fù)合型拋物面形聚光器，該系統(tǒng)有可能為被持續(xù)干旱所困擾的加州帶來(lái)一種新型的太陽(yáng)能海水淡化解決方案，并緩解當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)灌溉水短缺問題。加州大學(xué)太陽(yáng)能技術(shù)研發(fā)中心主任Roland Winston表示：“常規(guī)的膜法海水淡化過程會(huì)產(chǎn)生有用的淡水和大量需要處理的咸水，而XCPC系統(tǒng)可以使水的蒸發(fā)過程更加高效，而且成本很低?！?/p>

談到該系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，Roland Winston表示：“我們的外置復(fù)合拋物面形聚光器可以通過收集陽(yáng)光產(chǎn)生高溫，而且可達(dá)到的溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生產(chǎn)水蒸汽所需要的溫度。同時(shí)很關(guān)鍵的一點(diǎn)是我們的集熱器不需要使用跟蹤系統(tǒng)，沒有任何需要活動(dòng)的組件。事實(shí)上，其它大部分可以獲得如此高溫的太陽(yáng)能技術(shù)都需要使用跟蹤系統(tǒng)，而且成本較高?！盧oland Winston進(jìn)一步解釋道，一般使用跟蹤系統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱器對(duì)于直射陽(yáng)光要求很高，而且往往需要在晴朗的天氣條件下才能運(yùn)行。而他們的XCPC集熱器則完全不同，在朦朧和多云的天氣條件下依然可以正常運(yùn)行。

5.2 上海應(yīng)物所取得碳納米管海水淡化技術(shù)新突破

目前，利用碳納米管復(fù)合膜進(jìn)行海水淡化的技術(shù)有了新的突破。從理論上看來(lái)，碳納米管似乎非常適合應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域。因?yàn)橥ㄟ^此前科學(xué)家們的分子模擬顯示，離子在較窄的碳納米管中遇到較大的能壘而不能通過，而水則沒有遇到這樣的能壘可順利通過，所以科學(xué)家們一直期待可以通過使用較窄的碳納米管制備得到的復(fù)合膜來(lái)大大地降低海水淡化成本，從而為人們提供更多的淡水。但事實(shí)上，該技術(shù)的除鹽能力一直沒有得到充分的驗(yàn)證。

中國(guó)上海應(yīng)用物理研究所方海平博士等研究人員認(rèn)為他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了為什么碳納米管除鹽能力始終沒有達(dá)到理論水平的秘密，并提出了相應(yīng)的解決辦法。方海平和他參與研究的同事認(rèn)為，該技術(shù)存在的主要問題在于如果碳納米管足夠窄，則水中的鹽分被阻擋不能通過，而這些管道也可能被水中的離子阻塞而導(dǎo)致水也無(wú)法通過。他們認(rèn)為，此前對(duì)于碳納米管用于海水淡化的模擬對(duì)于離子和碳納米管之間的相互作用力描述的并不充分。

通過模擬發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改造的碳納米管的水通過率可以達(dá)到40%左右。另一種思路是，通過向碳納米管施加一個(gè)強(qiáng)大的電場(chǎng)可以把離子移位。但方海平和其同事們更喜歡第一種思路，即防止碳納米管被阻塞。方海平解釋說(shuō)：“這種方法不需要消耗能源，同時(shí)也不需要配置大型的設(shè)備來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)大的電場(chǎng)，可以使海水淡化過程更加方便。”

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，以及水環(huán)境污染的日益加劇，水資源短缺將成為今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)需要面對(duì)的重大問題。海水淡化技術(shù)是解決水資源短缺的重要途徑和方法之一。