海水淡化技術現(xiàn)狀及其應用探析

傅澤凱，王慈云

（1.武警海警學院；2.寧波財經(jīng)學院，浙江 寧波 315000）

淡水資源短缺現(xiàn)已成為世界各國亟需解決的問題，由于現(xiàn)代化進程的加快，人們的生活水平日漸提高，過度開采地下水、地表水污染嚴重等一系列人為因素導致可用水資源越來越少。全球缺水的人口越來越多，目前，缺水的國家近30 個。雖然各國都采取了許多措施，無論是宣傳節(jié)約用水、污水處理還是跨流域調水工程，但終究難以徹底解決缺水問題。地球的7/10 是由水覆蓋，然而大部分水體都是海水，難以直接為人類利用。我國是一個缺水國家，水資源分布有地域差異，尤其是東部城市缺水嚴重，人均淡水擁有量少，又因為北方大型工廠居多，水污染嚴重，目前只能依靠南水北調解決用水問題。我國是一個沿海國家，是海洋大國，有著綿長的海岸線，有實施海水淡化策略的條件優(yōu)勢。利用海水淡化技術提取淡水，是緩解我國水資源短缺的一項重要舉措。

1 固有海水淡化技術

固有海水淡化技術是指從20 世紀就已經(jīng)流行的熱法和膜法。熱法以多級閃蒸、低溫多效蒸餾等方式為主要形式，膜法有電滲析和反滲透技術這兩種。這兩類技術發(fā)展至今工藝成熟，成為公認的且最實用的連續(xù)提供淡水資源的方法，應用廣泛。據(jù)資料顯示，截至2022年10 月，世界海水淡化日總產(chǎn)量約為1 億噸，可見其速度增長之迅速。

1.1 多級閃蒸（MSF）

該技術的發(fā)展建立在多效蒸餾技術的基礎上，為了解決海水淡化設備易腐蝕結垢的問題而提出的。因為在這種技術中鹽水蒸發(fā)的過程不發(fā)生在傳熱管，所以有效避免了換熱管阻塞結垢，從而有效減少換熱管的清洗和替換次數(shù)，很大程度上節(jié)省了人力和物力。在這種方法中，水加熱在多個階段，在每個階段，壓力和溫度較前一階段都有所下降。進口端鹽水在加熱槽中加熱至90～115℃，產(chǎn)生水蒸氣。第一階段的壓力水平較低于飽和壓力的水蒸氣，當一股飽和的水流通過壓力轉換器時，壓力突然下降，形成了所謂的突然蒸發(fā)（閃蒸）。隨著鹽水進入下一步驟，一些水突然蒸發(fā)，當它通過減壓噴嘴時并進入蒸汽箱。在冷凝管形成的蒸汽被蒸餾，然后收集進特制的塔盤。當蒸汽箱出現(xiàn)液體時，一些潛熱被釋放出來，用于在進入第一階段前預熱鹽水。MSF 方法是通過在每個階段中都降低壓力和產(chǎn)生一定量的蒸汽來執(zhí)行，這些蒸汽在同一階段蒸餾，回收的海水量約為10%～30%。將每個階段產(chǎn)出的鹽水都聚集在一起，在后期階段，一部分鹽水被加入脫鹽循環(huán)中以減少供給鹽水的總容積。經(jīng)過處理得到淡水的鹽量低于10ppm。MSF方法對于給水條件（溫度、鹽度、不溶性物質及高污染百分比）的耐受值較高，適用范圍更廣。

1.2 多效蒸餾法（MED）

MED 也包含了多個步驟的處理，每一步采取放置在單獨的容器中，每個步驟對鹽水的壓力逐漸減少。對于多效蒸餾法，通常用8 ～16 個步驟來降低能源消耗。將蒸發(fā)器管面上的水作為一層薄膜展開，使水迅速蒸發(fā)。產(chǎn)生的蒸汽在一個冷卻的外部表面蒸餾，在這里，蒸餾水的潛熱在較低的溫度和壓力下加熱鹽水，在第一階段的初始加熱后，在其他階段不需要加熱水?？偟恼f來，每個階段的冷凝潛熱被用于在后面的階段把水蒸發(fā)掉，這減少了海水淡化總能源的消耗。因此，該方法的能量消耗低于MSF 技術。每一步的降壓過程都允許降低給水的蒸發(fā)溫度，不需要任何外部供熱，只有第一級蒸汽需外部提供能源。

1.3 反滲透（RO）

反滲透技術是以壓力為推動力的膜分離過程，是目前主要的脫鹽方法。反滲透方法的作用在于克服自然的滲透壓現(xiàn)象，當鹽水通過半滲透分離得到兩種不同濃度的溶液的離子時，就會發(fā)生這種情況。滲透壓是以濃度的差異為基礎的，水從稀溶液向濃溶液流動，只要化學平衡正常，化學過程就會繼續(xù)。只要施加的壓力大于滲透壓，水的流動可以被外界因素逆轉。在反滲透中，含無機鹽（礦物質）、可溶性/不溶性有機物、不溶性氣體和微生物的水通過半透膜。半透膜是一種能讓水比其他材料和化合物以更快的速度流過的薄膜。根據(jù)大小和水中的帶電粒子，這些顆粒留在反滲透的入口部分，而淡水和脫鹽水通過膜表面。因為氣體分子顆粒很小，薄膜不能很好地阻擋它們。就反滲透膜孔的大小而言，它可以很容易地阻擋尺寸大于0.1nm 的固體粒子，這意味著膜可以吸收懸浮固體、微生物、細菌、病毒和其他對人體有害的物質。因此，每個膜層阻止一種特定的粒子。

1.4 電滲析（ED）

電滲析法的商業(yè)應用始于1952 年進行的苦咸水脫鹽，與反滲透法相比早了10 年。采用電滲析法使用離子選擇性膜來分離帶電粒子水。在這種方法中，通過對鹽水直接通電從淡水中分離礦物。電滲析由一堆陰離子和陽離子膜（在300 和600 之間）組成的，防止它們粘在一起，在膜之間用一些隔離物隔開，鹽水就可以通過它。陽極和陰極位于膜的兩端，當鹽溶液中的電極連接到一個外部直流電源，負離子很容易通過最近的陰離子膜，但在前往陽極的過程中，它們與鄰近的陽離子膜碰撞，因此陽離子向相反的方向移動并通過最近的陽離子膜；然而，它被卡在陰離子膜后面的下一層。通過這種手段，稀釋或濃縮的鹽溶液被放置在膜之間的空隙中。電滲析是一種無相變的鹽水分離技術，適用于淡化濃度不大于20g/L 的苦咸水，即不適合淡化高濃度苦咸水。尤其要注意的是，為了提高電滲析的效率增加鹽的吸收，必須將多組膜聚集在一起；因此，在這種情況下，該種技術可達到95%的淡水回收率。

2 新興海水淡化技術

目前，海水淡化廠運行的價格非常昂貴，且能源耗費較大，所以需要提出具有創(chuàng)新的方法和技術來降低成本，使他們具有更強的業(yè)務能力和更低的能源消耗。因此，研究者正在不斷提高海水淡化廠的效率來降低成本。新型海水淡化技術的發(fā)展將各種工藝的優(yōu)勢進行互補，提升淡水的水質，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，具有巨大的發(fā)展空間。

2.1 技術集成

（1）膜蒸餾。膜蒸餾（MD）具有成本低、節(jié)能等優(yōu)點，能替代傳統(tǒng)的膜法海水淡化工藝，蒸餾和膜法的混合是一種行之有效的方法。MD 法比其他膜分離法的通量低，如反滲透工藝，因此MD 有進行大規(guī)模淡水生產(chǎn)的能力。微孔疏水膜分離溫熱溶液來自裝有液體或氣體的冷卻室的溫差產(chǎn)生蒸汽壓梯度，導致蒸汽分子通過膜并在表面凝結冷卻為高純度淡水。簡言之，膜蒸餾過程分為三個階段：進料海水經(jīng)加熱生成蒸汽的氣化過程；水蒸氣穿過膜進入低溫側的遷移過程；蒸汽在低溫側遇冷生成水的冷凝過程。膜蒸餾雖然集合了蒸餾法和膜法的優(yōu)點，但仍處于不成熟階段，并未實現(xiàn)規(guī)?；瘧谩?/p>

（2）ED-RO 集成海水淡化技術。這種集成技術的優(yōu)點是經(jīng)過第一步預脫鹽處理后，可大大降低海水對金屬管道的腐蝕，同時反滲透工藝過程壓力降4MPa 左右，可采用普通高壓泵。該集成工藝適合在沿海地區(qū)和海島有足夠空間的大中型海水淡化廠應用，無論在能源消耗、防腐防垢和可靠性等方面都優(yōu)于單獨的電滲析或反滲透技術。

（3）正滲透。正滲透與RO 同樣利用膜系統(tǒng)，區(qū)別是驅使FO 發(fā)生的動力源于膜兩側的滲透壓差，較高化學勢側流向較低化學勢側。水到達驅動液側后再經(jīng)過其他方式分離，分離出來的汲取液可以重新回收利用。因FO 工藝在常溫常壓條件下即可進行，因此有能耗低的優(yōu)勢；對許多污染物截留率高，分離效果好；對半透膜污染小，所以在海水淡化領域有廣闊的應用前景。

2.2 新能源海水淡化技術

中國非化石能源消費占比逐年升高，2020 年，已進入能源轉型的關鍵期。促進發(fā)展可再生能源，特別是風能能源、太陽能和海洋可再生能源結構調整的進程已經(jīng)深入加速。人們認識到開發(fā)以可再生能源為主的新能源為動力來源的意義，可再生能源具有儲量大、可再生、污染小的優(yōu)點。

（1）太陽能。人類對淡水的需求化石燃料消耗的速度每天都在加快。所有類型的可再生能源中，太陽能進行海水淡化的工程占有最高的份額，它分為兩個類型：直接型和間接型。接收太陽能量并將其轉化為電能的光伏（PV）系統(tǒng)，它已被用于反滲透和去電離子系統(tǒng)；將接收到的太陽能轉化成熱能的太陽能系統(tǒng)，熱能可以直接或間接供應能量。太陽能在這兩種情況下，能量都被用來運行熱機。如今，人們的注意力都集中在提高太陽能轉換系統(tǒng)的效率，海水淡化技術和兩者的最佳結合，使該系統(tǒng)得以經(jīng)濟的適用于中小型海水淡化。

（2）地熱能。地熱（溫度大約為60℃）可直接用于膜蒸餾工藝（MD）等其他脫鹽工藝，多效蒸餾（MED)、多級閃蒸（MSF）可以利用地熱能產(chǎn)生的電力進行操作。在使用地熱源熱水進行海水淡化的情況下水時，地熱水通過熱交換器循環(huán)加熱海水和降低壓力使多級腔內(nèi)的水汽化。該先進的技術，以產(chǎn)生大量的脫鹽水，加熱后的熱水循環(huán)加熱若干次海水。這種方法被稱為MED-MSF 法的海水淡化。在地熱系統(tǒng)溫度較高的情況下，那里的熱流體溫度較高，超過150℃，可以使用二元發(fā)電技術。利用地熱發(fā)電的海水脫鹽是最好的例子之一，工藝預計可每小時產(chǎn)生80m3的飲用水和470 千瓦電力。海水淡化廠有一個雙重系統(tǒng)，利用地熱水淡化海水使用MED-MSF技術和利用地熱產(chǎn)生的電力利用上述其他技術對海水進行脫鹽，脫鹽水成本預計為11.5 元/立方米。

（3）海洋能。據(jù)統(tǒng)計，全球海洋可再生能源的儲量有7.66×108MW 之高，技術上是可以開發(fā)的，生產(chǎn)能力為6.4×107MW，相當于目前遍布世界各地的發(fā)電機裝機的生產(chǎn)總容量。從理論上講，能量是可以被提取出來的，全球的海洋遠遠超過了當前或未來的任何海洋人類能源需求。因此，利用海洋可再生能源完全可以滿足全球能源需求和緩解能源危機下實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的前提。目前，潮汐能發(fā)電技術已經(jīng)在各地許多國家商品化。如今很多人認為利用海洋可再生資源脫鹽是最具潛力的，可以解決耦合問題、能源和材料問題。當利用海洋可再生能源淡化海水時，海洋熱能的流出速度多在蒸汽凝結方面比其他類型更快，這使得它成為該領域中最成熟的海水淡化技術。因此，投資是必要的，海水淡化工程的資本投資力爭實現(xiàn)海洋熱能產(chǎn)業(yè)化應用。

（4）風能。利用風能進行海水脫鹽，特別是高風勢的沿海地區(qū)是一種很有前途的方法。產(chǎn)生的能量通過風力渦輪機產(chǎn)生電能和機械能可用于海水淡化過程（特別是RO 和MVC 方法）?；谛⌒惋L力渦輪機，世界各地安裝不同的海水淡化裝置。與太陽能一樣，隨著時間的推移，電力輸出的波動是其問題之一。太陽能只能在白天用，晚上無法利用，但夜間風速更高，如果我們將太陽能和風能系統(tǒng)結合，優(yōu)勢互補，便能將能源利用的時間和范圍得到極大的提升。

3 海水淡化技術的應用

我國海水淡化技術經(jīng)過近50 年的發(fā)展，發(fā)展較快，尤其是膜法海水淡化技術，是為數(shù)不多的掌握該技術的國家之一。從國家海洋局公布的《2022 年全國海水利用報告》，我國已建成的海水淡化工程112 個，產(chǎn)水規(guī)模達到了日產(chǎn)92.69 萬噸，最大淡化工程規(guī)模日產(chǎn)20 萬噸。

3.1 國內(nèi)海水淡化技術應用案例

2003 年山東榮成市石島水產(chǎn)供銷集團總公司簽署了一項協(xié)議，該項目是一個反滲透海水淡化示范工程，RO工藝采用的膜組件是美國進口的高性能反滲透海水淡化復合膜元件，平均脫鹽率達到99.6%。2009 年成立的青島百發(fā)公司，采用膜法淡化海水技術，其中一種用的是反滲透膜，經(jīng)過自清洗過濾、UF 超濾、反滲透、礦化等工序，使海水淡化后到達工業(yè)用水或者國家生活飲用水的標準，每天產(chǎn)出淡水十萬噸，七年的運行改進后淡水產(chǎn)出量大大增加，實現(xiàn)了直接為本地企業(yè)提供生產(chǎn)用水，同時為青島居民生活用水提供了很好的保障，極大地節(jié)約了水資源。

3.2 國外海水淡化應用情況

海水淡化在世界各國的海水淡化廠中應用。淡化海水的使用在波斯灣，阿爾及利亞，澳大利亞和西班牙正在顯著增長。海水使用僅限適用于沿海地區(qū)和沿海地區(qū)，而那些遠離海洋的海水還得依賴地下的咸水和淡水層。根據(jù)國際海水淡化協(xié)會（IDA）統(tǒng)計，已成立海水淡化能力從每天500 萬立方米1980 年增加到每天8000 萬立方米2013 年，大約150 個國家使用了這種方法世界淡水獲取。2014 年安裝的全部海水淡化設備的價值為大約120 億美元，2019 年增加到210 億美元。目前，海水淡化的總容量世界上每天有2300 萬立方米的天然氣。海水淡化技術已經(jīng)在許多領域得到了應用在中東等干旱地區(qū)，地中海和加勒比大陸。最高的裝機容量屬于中型海水淡化廠占海水淡化總容量的65%，由于這些地區(qū)缺乏淡水資源化石燃料的廣泛使用。沙特阿拉伯，阿拉伯酋長國、美國、西班牙和中國的比例最高而印度的海水淡化能力增長最快。

位于澳大利亞西部的南珀斯Kwinana 海水淡化裝置是RO 和風力渦輪機組合的成功典范。該基地生產(chǎn)約140ml/d 淡水，為該裝置提供所需電力的是一個80 兆瓦的風力發(fā)電廠。ENERCON 海水淡化裝置是專門設計用于風力發(fā)電，結合RO 脫鹽裝置，可在可變?nèi)萘浚?2.5%～100%）運行。它能很好地適應天氣條件的變化和風的波動。

4 結語

目前，利用海水淡化技術解決用水緊張是勢不可擋的趨勢，也是最行之有效的方法。LT-MED、RO 和MSF 技術是最成熟的三大技術，是應用最廣泛的，但存在不足之處。隨著時代進步，這些技術也在改進，甚至許多新型海水淡化技術層出不窮?？傊硐氲暮Ｋ夹g一定是低成本、低能耗、高效率及易操作的，科研人員正在向著這個目標不懈努力。新工藝在技術上更先進、更經(jīng)濟，但大都沒有實現(xiàn)工業(yè)化應用。隨著可再生能源的開發(fā)和對更低成本的追求，新能源海水淡化是一個新的發(fā)展方向，正處于初始階段，最大的挑戰(zhàn)是能量轉換裝置的設計，普遍問題是供能不穩(wěn)定，但是隨著技術的深入研究，新能源海水淡化技術將未來可期。