海水淡化技術及其發(fā)展

韓香蓮 李秀麗

摘要：全球水資源短缺促進了海水淡化技術的迅速發(fā)展，形成了一大批優(yōu)秀的研究成果，推動了海水淡化技術的不斷成熟。本文主要介紹了低溫多效、多級閃蒸、反滲透三種主流海水淡化技術以及太陽能、風能、海洋能等可再生能源海水淡化技術，分析了其原理、特點及發(fā)展，總結了新的研究成果以及研究方向。未來，海水淡化技術將向著低成本、綠色化、可持續(xù)性方向發(fā)展。

關鍵詞：海水淡化技術;研究進展;發(fā)展趨勢

隨著社會經濟的發(fā)展及人們生活水平的提高，對淡水的需求量日益增加。而可供人們利用的淡水資源，包括河水、湖水及淺層地下水，僅占全球淡水總儲量的0.26%[1]。世界各國通過節(jié)約用水、污水處理以及跨流域調水等方法，從一定程度上緩解了淡水資源緊張，但總體形勢依然嚴峻。為了進一步開發(fā)新的淡水資源，采用海水淡化技術將海水中的鹽（鈉、鎂、鈣、鉀鹽）、有機物、細菌和病毒以及固體物質分離出來從而獲得淡水。日趨成熟的海水淡化技術作為開發(fā)淡水資源的重要手段，具有重要的意義。

目前，全球海水淡化技術有二十余種[2]，包括低溫多效蒸餾法、多級閃蒸法、反滲透法、電滲析法、冷凍法、離子交換法、水合物法、水電聯產、熱膜聯產以及利用太陽能、風能、核能、海洋能海水淡化技術等。其中，低溫多效蒸餾法、多級閃蒸法和反滲透法是國內外市場上的主流技術[3]，太陽能、風能、海洋能等可再生的清潔能源，作為新能源應用于海水淡化技術成為全球發(fā)展的趨勢。

1? ? 海水淡化的主流技術

1.1 低溫多效蒸餾法（LT-MED）

低溫多效蒸餾法（LT-MED）是指鹽水最高蒸發(fā)溫度低于70 ℃的海水淡化技術，其特征是將一系列水平管降膜蒸發(fā)器或垂直管降膜蒸發(fā)器串聯起來，分成若干個效組，輸入一定量的蒸汽進行多次蒸發(fā)和冷凝，后面一效的蒸發(fā)溫度均低于前面一效，利用前面一效蒸發(fā)產生的蒸汽作為熱源加熱后面一效的海水，從而得到蒸餾水是加熱蒸汽量的數倍的海水淡化技術[4]。LT-MED的主要特點是操作溫度低，能有效緩解設備腐蝕及水垢的生成，運行壽命長，維護量少，操作安全可靠;熱效率高，動力消耗小;凈化率高，產水水質好;可以充分利用低品位余熱資源。LT-MED適用于大型海水淡化項目，可以與電廠、鋼鐵、化工結合，甚至與工業(yè)、市政結合，會提高LT-MED的綜合效率，更好地體現其優(yōu)勢[5]。

雖然LT-MED在一定程度上減緩了水垢生成，卻并未根除水垢。在實際運行過程中，海水會在蒸發(fā)器的換熱管表面結垢，影響傳熱效率，限制鹽水的頂溫，降低了裝置的淡水產量[6]。結垢問題仍然是影響LT-MED產水效率的關鍵因素，對此，工業(yè)上多采用藥劑阻垢法和化學清洗等方法來處理LT-MED的結垢問題[7]。賈利濤等[8]發(fā)明一種用于低溫多效海水淡化的阻垢劑，具有較高鈣容忍度等特點，解決了現有技術中阻垢效果不穩(wěn)定的技術問題，實現了保證設備產水量的技術效果。賈利濤等[8]還進行了低溫多效海水淡化阻垢劑溶垢試驗研究，分析了第一效換熱管結垢成分主要以硫酸鈣和碳酸鈣為主，還有少量的鎂鹽和硅酸鹽，4種阻垢劑的投加量為30 mg/L時的溶垢效果最好，為LT-MED海水淡化裝置通過藥劑篩選、藥劑投加量調整的方式進行在線清洗、延長酸洗檢修周期等提供借鑒。

LT-MED海水淡化技術是20世紀70年代末由以色列IDE公司開發(fā)的，依據低溫下海水的結垢和腐蝕現象會大幅度減輕，被認為是熱法海水淡化技術發(fā)展的方向。LT-MED海水淡化技術研究較多的是如何降低設備造價和運行成本。如開發(fā)汽輪發(fā)電機組與熱法海水淡化耦合技術，利用汽輪發(fā)電機的排汽直接供LT-MED裝置制水，避免能源浪費的同時降低海水淡化成本。此外，充分利用冶金工業(yè)中的高爐沖渣水、鍋爐煙氣、循環(huán)水等低品質余熱資源，將此類低品質余熱供LT-MED裝置制水，建立以LT-MED蒸餾海水淡化裝置為依托的低品質余熱利用平臺，可以有效降低海水淡化成本[9]。再者，將太陽能發(fā)電技術與LT-MED蒸餾海水淡化技術相結合，進行水電聯產，利用太陽能發(fā)電之后剩余的熱能進行海水淡化，高效利用了太陽能集熱系統的熱能。Mohammad等[10]對LT-MED與太陽能（CSP）發(fā)電相結合的技術進行了研究分析，為約旦紅海沿岸的亞喀巴市模擬了一個聯合發(fā)電和海水淡化廠，采用離散能量平衡仿真軟件EBSILON Professional對設計的電廠進行建模和仿真，在多種運行條件下分析運行結果，并進行了經濟可行性分析。

1.2 多級閃蒸法（MSF）

多級閃蒸法（MSF）是將海水一系列壓力逐漸減小的閃蒸室內進行逐級的閃蒸和冷凝，閃蒸室內的壓力低于要進入的熱鹽水所對應的飽和蒸汽壓力，鹽水由于溫度過高而進行閃蒸得到水蒸汽，水蒸汽冷凝后生成淡水被收集，沒有汽化的海水流入下一個壓力較低的閃蒸室繼續(xù)閃蒸，這樣重復蒸發(fā)和冷凝，從而獲得淡水的海水淡化技術[11]。閃蒸室的個數稱為級數，最常見的設備有20～30級，有的可達50級[12]。MSF的主要特點是加熱和蒸發(fā)過程分開進行，設備不宜結垢，運行維護相對簡單;單機生產能力相對較大，所產淡水純度高;可利用低位熱能和廢熱。MSF技術適合于大型和超大型淡化項目，可以與火力電站、熱電廠相結合，利用電廠的低品位熱能，采用熱電聯合造水[13]。但是，MSF操作溫度高，且需要較大量的海水在系統內循環(huán)和流體輸送，泵的動力消耗較大，與LT-MED相比總能耗較高。

MSF海水淡化技術始于20世紀50年代，60年代開始迅速占領中東市場，同時海水淡化技術開始了大規(guī)模應用[14]。MSF海水淡化技術成熟，系統結構簡單，運行安全可靠。研究者對原有的MSF海水淡化系統進行改良，充分利用每級閃蒸室產生的閃蒸蒸汽冷凝成淡水的潛熱，將閃蒸蒸汽流入下一級閃蒸室中用來加熱循環(huán)鹽水，改進后的裝置不僅增加了淡水產量，而且節(jié)約了能源[15]。

1.3 反滲透法（RO）

反滲透法（RO）是利用半透膜的滲透原理，在半透膜的一側對海水施加大于滲透壓的壓力（約為2.5 MPa），使海水中的水分子透過半透膜到另一側，而鹽分被截留在海水中，從而得到淡水的海水淡化技術。RO工藝效率的影響因素主要有操作參數、膜性能和給水性能等[16-17]。RO技術主要特點是工藝簡單、投資小，操作方便;過程中無相變化，可以在常溫下操作;能耗低，效率高，制水成本相對低。但是，RO海水淡化技術所用半透膜對海水中的顆粒及污染物反應敏感，預處理要求比較高，且各種污染物沉積會對膜造成污染，需要對膜進行定期的清洗和消毒。膜污染現象在RO技術應用過程中不可避免，對此，研究人員已經做了大量的工作，例如改善膜表面的性質，優(yōu)化流體動力學條件，完善預處理工藝，以及開發(fā)更有效、更環(huán)保的RO膜污染去除方法。

RO技術始于20世紀50年代，60年代得到突破性進展，70年代開始商業(yè)應用[18-22]。由于能耗低，發(fā)展迅猛，目前是應用最廣的海水淡化技術。許多研究探討了推進海水淡化的途徑，主要集中在節(jié)能、高脫鹽，優(yōu)化海水RO系統，減少海水淡化排水和化學加藥，以減少海洋污染和其他環(huán)境影響。一種先進的無氯/無無亞硫酸氫鈉投加工藝系統，優(yōu)化了海水反滲透工藝，提高了脫鹽效果，減少了對環(huán)境的影響。成功開發(fā)了配置有高效液壓能量回收和無蓄電池的風能反滲透海水淡化裝置?；陲L能、太陽能等可再生的清潔能源，應用于反滲透海水淡化系統受到高度關注。經過分析安裝在馬來西亞的RO海水淡化裝置對環(huán)境的影響，得出全球變暖的影響最大，主要是在RO過程中由天然氣發(fā)電引起的，建議海水淡化過程發(fā)電可以通過使用高通量膜和其他適合的可再生能源，如太陽能和風能來克服。

2? ? 新能源海水淡化技術

傳統的海水淡化技術投資成本高、能耗大，部分還存在環(huán)境污染等問題。太陽能、風能、海洋能等可持續(xù)利用的清潔能源，具有儲量大、環(huán)境友好、可再生等特點，使海水淡化和可再生能源利用相結合，可以確保海水淡化生產的可持續(xù)性且環(huán)境友好。在日照充足、風力強的地區(qū)，利用太陽能、風能以及海洋能等可再生能源是非常好的海水淡化能源選擇。

2.1 太陽能海水淡化技術

太陽能海水淡化技術是通過太陽能的熱效應與光效應轉化實現對海水的淡化，可分為兩種方式，一是直接利用集熱系統吸收的太陽能蒸餾海水制得淡水，太陽能集熱裝置與脫鹽裝置不分開，有淺盤型、傾斜型和多效型三種蒸餾裝置的太陽能蒸餾海水淡化技術;二是通過集熱器或者太陽能電池實現光能與電能的轉化，并以此作為海水淡化裝置的能源從而制取淡水，利用太陽能與多級閃蒸、低溫多效、反滲透和電滲析相結合的海水淡化技術。太陽能海水淡化技術具有不消耗常規(guī)能源、無污染、所得淡水純度高、工藝安全、環(huán)保等優(yōu)點，但也受地理位置和氣象等因素的影響，有較強的不穩(wěn)定性，且效率低，規(guī)模小。為了提高利用太陽能的效率，需要提升集熱及光電轉化效率，優(yōu)化海水淡化的技術，進而提高太陽能在海水淡化中的經濟性及實用性。

太陽能海水淡化技術經過半個世紀的發(fā)展，形成了以MED、MSF以及RO海水淡化工藝為主流的海水淡化技術，而且太陽能利用效率和產水量效率也得到了大幅的提高。近年來，科學家們提出了兩種新型海水淡化方式，體積式和浮動式太陽能海水淡化技術。體積式海水淡化技術是利用納米材料優(yōu)異的光吸收能力，將太陽能轉換為熱能對水體進行加熱產生水蒸汽以達到海水淡化的目的，由于涉及對整個水體進行加熱，熱量損失嚴重，所以普遍存在太陽能光熱轉換效率低的問題。浮動式太陽能海水淡化技術主要是基于局部加熱驅動蒸發(fā)，將具有較強光吸收能力的光熱轉換材料浮于水體表面而進行蒸發(fā)以達到海水淡化的目的，這大大提高了太陽能光熱轉換效率。所以，此領域研究的重點是進一步探索、制備具有優(yōu)異海水淡化性能的光熱轉換材料。此外，利用毛細驅動結合太陽能局域熱法的新型太陽能海水淡化技術，憑借其高效的產水速率和超低的投入成本也已成為研究的熱點。相對于直接加熱大水域的太陽能蒸餾技術，局域熱法的新型太陽能海水淡化技術利用多孔介質毛細力自動抽吸海水至蒸發(fā)表面，同時利用太陽能加熱表層水分，而大水域仍處于低溫狀態(tài)。該技術可結合材料表面設計提高光吸收率和降低材料導熱系數減少熱損，極大地提高了光熱轉換效率。

2.2 風能海水淡化技術

風能海水淡化技術是利用風能實現海水的淡化，可分為兩種方式，一是直接利用風力，將風能轉換為機械能進行海水淡化;二是利用風力發(fā)電，將風能轉換為電能，然后利用電能進行海水淡化。直接利用風力的海水淡化，省去了風能到電能的轉換，將風力推動風力機轉動產生的旋轉機械能直接驅動海水淡化設備，省去了風力發(fā)電機的發(fā)電設備，簡化了系統結構，同時提高了風力利用的效率。但因風能的不穩(wěn)定性，應用較少，大多數采用風力發(fā)電進行海水淡化，將壓汽蒸餾、多效蒸餾、反滲透和電滲析技術與風電結合，其中RO的適應性最高，操作靈活，可以與風能優(yōu)勢互補。

將風能與太陽能耦合的海水淡化技術，一方面風能與太陽能互補發(fā)電提供動力，彌補了單獨風力發(fā)電和太陽能發(fā)電系統的不足，提供了更加穩(wěn)定的電能;另一方面以風力發(fā)電提供動力，太陽能集熱系統提供熱源，直接利用太陽能集熱供熱，提高了能量利用效率，將風能轉化為電能儲存，減小了風力波動對系統的影響。國內外學者針對風/光互補發(fā)電進行了研究，得出了根據負載和風光資源條件合理配置發(fā)電系統，是降低發(fā)電成本提高系統可靠性的重要途徑，證實了風/光互補發(fā)電系統比任何一種單獨發(fā)電系統更具優(yōu)勢。

2.3 海洋能海水淡化技術

海洋能通常是指海洋特有的依附于海水的潮汐能、潮流能、波浪能、溫差能和鹽差能。其中，潮汐能和潮流能是受月球和太陽引潮力的作用而產生，其他的均產生于太陽輻射。波浪能海水淡化系統主要有能量吸收裝置、能量轉換裝置及海水淡化裝置。研究的內容主要有：對各類波浪能收集裝置進行改進，提高波浪能的利用效率;對波浪能轉換裝置與海水淡化的耦合性能進行研究，提升波浪能海水淡化系統穩(wěn)定性，進行能量回收。提高裝置的抗風浪能力，有助于波浪能的高效利用。

海洋能海水淡化的構想始于20世紀60年代。20世紀七八十年代，科學家和技術人員發(fā)明和設計了一大批優(yōu)秀的海洋能收集與利用裝置和海洋能海水淡化系統。從2000年開始，隨著傳統化石能源面臨枯竭，人類環(huán)保意識的增強，以及全球淡水需求的增加，海洋能作為可再生的清潔能源成為海水淡化研究的重點。

3? ? 結論與展望

綜上，海水淡化主流技術低溫多效蒸餾法、多級閃蒸法和反滲透法等日趨成熟，且應用廣泛。隨著能源的短缺和環(huán)境污染的問題，海水淡化技術向高效經濟和環(huán)保型轉變，利用太陽能、風能以及海洋能等可再生能源海水淡化技術受到高度重視。研究的重點轉向以蒸餾法和反滲透等傳統海水淡化技術為基礎，與不同海水淡化技術進行組合，如以熱蒸餾驅動膜分離的膜蒸餾，通過將膜技術和蒸餾法結合起來，混合了熱法和膜法的優(yōu)勢，降低產水成本、提高海水淡化效率;利用可再生能源的海水淡化技術，節(jié)約能耗，安全環(huán)保且可持續(xù)生產;開發(fā)新材料（納米顆粒、石墨烯等）、新裝置（流體切換能量回收裝置）提升海水淡化技術。

海水淡化技術發(fā)展至今，已經由單純地實現海水淡化變?yōu)榘l(fā)展低能耗、低成本、綠色化新型海水淡化技術。未來，可在傳統海水淡化技術的基礎上，繼續(xù)提升技術創(chuàng)新與新材料研發(fā)，改進工藝以提高效率、減少對環(huán)境影響，改善裝置以節(jié)能降耗、降低成本，充分發(fā)揮太陽能、風能、海洋能等可再生能源的優(yōu)勢，提高不同形式的可再生能源與其他海水淡化技術的相容性，將多種可再生能源共同開發(fā)利用，解決單一類型的缺陷，實現可再生能源的高效轉化和充分利用，實現海水淡化的綠色化、可持續(xù)性，繼續(xù)開發(fā)像正滲透、減壓滲透、濃差極化等新型低能耗、低污染的海水淡化技術。

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