海水淡化原理及方法综述

海水淡化原理及方法综述

摘要介绍了海水淡化的原理和多级闪蒸、反渗透种常用的海水淡化方法，并且简要回顾了我国海水淡化的研究和技术应用情况。

关键词海水淡化多级闪蒸反渗透

水对于人类的生存与发展具有重要意义，而能被人类利用的淡水资源仅占全球水总储量的0．77%。随着淡水资源短缺的形势日趋严峻，人们寄希望于新的淡水资源的开发。海水淡化作为开发新的淡水资源的重要手段日益受到重视。

1 海水淡化的原理

海洋水占全球水总储量的96．5%，而人类有近七成居住在距大海不到10公里的地方，因此海水淡化成为新水源开发的必然趋势。海水淡化就是将海水脱除盐分变为淡水的过程。

1．1 海水的水质特点［1］

海水水质的主要特点是：1)含盐量高，一般在35 g/左右；)腐蚀性大；3)海水中动、植物多；4)海水中各种离子组成比例比较稳定（见表1）；（5）pH变化小，海水表层pH在8．1~8．3范围内，而在深层pH则为7．8左右。

1．海水淡化方法分类及其原理

根据分离过程，海水淡化主要包括蒸馏法、膜法、冷冻法和溶剂萃取法等。蒸馏法海水淡化是将海水加热蒸发，再使蒸气冷凝得到淡水的过程，又可分为多级闪蒸、多效蒸发和压气蒸馏。膜法海水淡化是以外界能量或化学势差为推动力，利用天然或人工合成的高分子薄膜将海水溶液中盐分和水分离的方法，由推动力的来源可分为电渗析法、反渗透法等。冷冻法海水淡化是将海水冷却结晶，再使不含盐的碎冰晶体分离出并融化得到淡水的过程［3］。溶剂萃取法海水淡化是指利用一种只溶解水而不溶解盐的溶剂从海水中把水溶解出来,然后把水和溶剂分开从而得到淡水的过程［3］。

海水淡化的历史可以追溯到公元3世纪，当时的水手用海绵吸收海水蒸发出的水蒸气，然后将凝结的淡水挤出以供旅途之需。海水淡化真正实现装机应用是在18世纪后期。最早的海水淡化处理厂于1881年在地中海马耳他岛上建成，岛上的饮用水大部分来源于海水淡化处理［4］。现代海水淡化方法的早期研究开发中，蒸馏法特别是多级闪蒸法应用最为广泛。近二十年来反渗透技术发展速度很快，在海水淡化领域的总容量已经接近多级闪蒸的容量份额。

2 常用海水淡化方法介绍

2．1 多级闪蒸（MS）

多级闪蒸是多级闪急蒸馏法的简称。其原理如图1所示。将原料海水加热到一定温度后引入闪蒸室，由于闪蒸室中的压强控制为低于热盐水温度所对应的饱和蒸气压，所以热盐水进入闪蒸室后即成为过热水而急速地部分汽化，所产生的蒸气在冷却水管外壁冷凝为所需淡水，同时热盐水自身的温度降低。原料海水在进入加热器前作为冷却水冷凝闪蒸室中的蒸气，换热后温度上升，可以节约大量能源。多级闪蒸的整个设备由多个闪蒸室构成，每一级闪蒸室里面可以完成一个完整净化过程。热盐水依次流经若干个压强逐渐降低的闪蒸室逐级蒸发降温，浓度逐级增大，直到温度接近（但高于）天然海水温度［5］。

多级闪蒸技术利用热能和电能，适合于可以利用热源的场合，通常与火力发电站联合建设与运行。由于其技术最为成熟，海水结垢倾向小、设备简单可靠、易于大型化、操作弹性大、运行安全性高以及可利用低位热能和废热等优点，目前多级闪蒸的总装机容量在海水淡化领域仍属第一［3］。

2．2反渗透（RO）［7，8］

用膜将含盐浓度不同的种水分开，在含盐的一侧外加一个压力，使之大于膜两侧的渗透压力差，迫使水从高浓度溶液中析出并透过膜进入低盐浓度溶液，这就是反渗透原理。反渗透海水淡化系统如图所示，由4个主要部分构成：1)预处理；)高压泵；3)膜组件；4)后处理。其中，预处理是对进料海水进行处理，通常包括去除悬浮固体，调节pH，添加临界隐蔽剂以控制碳酸钙和硫酸钙结垢等，目的都是为了保护膜。高压泵用于对进料海水加压，使之达到适合于所用膜和进料海水所需要的压力。膜组件的核心是半透膜，它截留溶解的盐类，而允许几乎所有不含盐的水通过。后处理主要是进行稳定处理，包括pH调节和脱气处理等。

作为膜组件的核心，半透膜的材料不断更新以更好地适应工业应用。最早使用的膜材料是醋酸纤维素，后来逐渐被其他的醋酸纤维素、聚酰胺和其他聚合物等各种配料或衍生物取代。0世纪50年代末，劳伯和索里拉金开发了不对称醋酸纤维素膜，将膜材料的发展引入了新的阶段。不对称膜（也称作薄膜复合膜）有个连贯的部分：第一部分是与盐水溶液接触的表层（截留层），决定膜的性能；另一部分是多孔支撑层，支撑上述表层，同时允许水通过。现在生产中使用的膜绝大部分是不对称膜，它允许被复合的材料具有最佳的表层截留特性，同时背称

材料具有防压实的特性。不对称膜可分为固态膜和动态膜种，前者有4种基本构型：板框式、管式、卷式和中空纤维式。

反渗透工艺中，通过改变膜组件的数量和组合方式可以达到不同的效果。目前的工艺主要有单级、并联、截留级和产品级。单级是最简单的组合，只有一个适当容量的膜组件；并联是指多个膜组件并联以提高产量，系统的脱盐率和回收率不改变；截流级也称多级或串联，从第1级截留的浓缩盐水作为第级的进料水，可以提高系统的回收率；产品级非常适合海水脱盐，从第1级出来的淡水作为第级的进料液，可以提高脱盐率，同时从第级出来的截留水还可与原料海水混合进行再处理，提高回收率。

反渗透技术只利用电能，适合于有电源的各种场合。由于具有无相变、节省能源、适用于海水和苦咸水淡化等特点，近二十年来反渗透技术发展速度最快，淡化成本也降得最快,其在海水淡化领域的总容量已经接近多级闪蒸的容量份额。

3 我国海水淡化的研究和技术应用情况

我国从0世纪60年代开始进行蒸馏法、电渗析法和反渗透法海水淡化的研究与示范，经过近四十年的发展，我国已经成为世界上少数几个掌握海水淡化先进技术的国家之一。据不完全统计，截止006年6月底，我国已建成投产的海水淡化装置总数为41套，合计产水能力1万立方米/天。表为部分海水淡化工程项目概况，不难看出我国海水淡化工程项目中反渗透法占据主流，其他方法较少［9］。

参考文献

［1］邵青等.水处理及循环再利用技术.北京：化学工业出版社,004:13 [2]解利昕,李凭力,王世昌.化工进展,003,10):1081

［3］潘焰平,李青.华北电力技术,003,10):51

［4］简华,戴德敏.天津化工,005,191):13

［5］冯广军.华北电力技术,005,3):4

［6］林斯清.水处理技术,001,71):58

［7］薛怀德.膜科学与技术,1990,10):66

［8］薛怀德.膜科学与技术,1990,103):68

［9］杨尚宝.水处理技术,006,31):1