海水淡化的现状与未来

海水淡化的现状与未来

摘要介绍了传统的海水淡化方法，包括蒸馏法和膜法。阐述了作为海水淡化

发展趋势的新型能源海水淡化技术，以及传统海水淡化方法的优化组合技术。分析了国内外海水淡化的竞争优势，同时介绍了海水淡化在国内外的应用情况。

关键词海水淡化；蒸馏法；膜法；新型能源

21世纪．水资源问题已成为困扰世界各国经济和社会发展的一个制约因素。目前全世界约有80多个国家和地区严重缺水，占地球陆地面积的60％，有15亿人缺少饮用水．20亿人得不到安全的用水。众所周知，地球上70．8％的面积为水所覆盖，但是其中97．5％的水为海水，不能直接利用，而在其余2．5％的淡水中。可利用的淡水资源仅占地球总水量的0．26％。

目前常用的局部地区缺水解决方案有远程调水、地下取水、建造水库等，但是长期使用造成了水源枯竭、浪费土地、地面下沉和破坏生等诸多弊端，且均属于淡水存量调整，不能从根本上解决淡水危机。另外雨水的收集利用、废水回用和加强水资源的立法管理等也可以缓解部分地区的淡水短缺。但是。海水淡化作为一种开辟新水源的相对成熟的技术，已成为世界上公认的解决缺水的最佳方案。

1海水淡化的各种技术

人类于两千多年以前就已对海水淡化技术有了初步的认知．但是海水淡化技术在国际上得到迅速发展始于上世纪60年代．经过近几十年的发展，海水淡化技术已经相对比较成熟，其中，蒸馏法和膜法已成为主流技术。目前。在国际上蒸馏法仍然在整个海水淡化市场中占主导地位。但是其发展速度却落后于反渗透法

1．1 蒸馏法

蒸馏法是指利用热能进行海水淡化的方法，包括多级闪蒸、多效蒸发、压汽蒸馏等。另外海冰淡化法．即冷冻法也可以归结为蒸馏法。它是利用淡水较盐水易于结冰的特点而进行淡水分离的一种工艺。

多级闪蒸(MSF)⑴是将加热至一定温度的盐水依次在一系列压力逐渐降低的容器中闪蒸汽化，然后将蒸汽冷凝制取淡水的过程。其突出优点是淡化过程中传热面与蒸发面不接触。基本不存在结垢现象，传热效率稳定。到上世纪末，此法一直是世界海水淡化市场的主流技术。现在，在世界海水淡化市场尤其是海湾地区MSF仍具有很强的竞争力。

多效蒸发(MED)是由若干个单效蒸发器串联而成，仅第一效的蒸发器热源来自锅炉，其余各效蒸发器的热源都由其上一效的二次蒸汽提供，热利用率高。以操作温度90℃为分界线，可分为低温多效蒸馏(LT—MED)和高温多效蒸馏(HT—MED)。目前世界上多采用LT—MED的淡化方式。此方式亦被评为能耗最低的海水淡化方法之一。但是MED法存在严重的结垢和腐蚀问题．其发展速度和市场占有率因此大受限制。压汽蒸馏(VC)是利用机械压缩机使蒸汽升压升温后作为热源用于海水蒸发。此法不需要另外提供蒸汽，不需要冷却水。且转化效率较高。但是亦存在严重的腐蚀和结构问题．用于中小型海水的淡化。但其市场占有率不高．并且呈逐渐降低趋势。目前已研究开发出适合于仅可供电能的岛屿和地区的低温压汽蒸馏技术．可以长期无故障运行。人工和维修费用较低，可靠性好。⑵

1．2 膜法

膜法⑵主要是利用膜的选择透过性进行盐水分离达到海水淡化的目的，主要包括反渗透法(RO)和电渗析法(ED)。

1．2．1 反渗透

RO是在盐水侧施加压力迫使水分子通过半透膜进入纯水侧的过程。20世纪50年代C．E．Reid等首先提出了反渗透海水淡化方案，并进行了开拓性研究。近20年来，随着预处理技术的改进、能量回收装置的使用和膜性能的优化等．使SWRO 技术日益成熟．进入21世纪后RO法已经取代MSF法成为海水淡化市场的主导。

反渗透膜不但可用于脱除水中的大量无机盐离子，还可用于去除大部分的有机物、胶体、病毒和细菌、悬浮物等。但是这些大分子物质的存在，容易造成膜的污染．降低膜的使用寿命，需根据海水水质进行预处理。表1给出了通用的反渗透海水淡化的进水水质要求。此外RO法还存在能量回收问题和浓盐水的排放问题。

表1 反渗透进水水质要求

注：所有指标均是针对聚酰胺膜。

(1)预处理技术。采用添加化学品的传统海水预处理方法．存在工序复杂、预处理成本较高和环境负面影响较大等缺陷。另外，由于结垢等问题，水回收率较低，仅为30％一35％。而水回收率越高，结硬垢可能性越大．能耗和成本也相对较高，对预处理要求也更严格，装置的清洗也更频繁，其结果必然是预处理和清洗费用上升。因此常规预处理方法已成为海

水淡化的主要制约因素。

采用全膜法预处理代替传统的化学品预处理则可以解决上述缺陷。膜法预处理主要包括微滤(MF)、超滤(UF)和纳滤(NF)三种。MF在去除悬浮固体、降低污染指数SDI上效果明显费用较海滩井(beachweU)少．是传统方法费用的一半。而UF 不但可截留悬浮固体和大的细菌．还可截留大分子、胶体和小细菌。NF是介于UF 和RO之间的膜过程，其对于一价和二价离子的选择透过性对防止结垢和减少进料TDS方面有特殊的作用．并且降低了海水的渗透压．高了RO的操作压力和水回收率．可进一步降低能耗25％，造水成本可降低30％。

(2)反渗透能量问题。RO中大部分的能量随着浓盐水的排放而流失。为了降低能耗，一般采用能量回收装置，但目前反渗透的回收率不高，一般为40％左右。这导致了预处理过的海水浪费和高压压缩海水能量的流失．也是其淡化成本高的主要原因。

(3)浓盐水的处理。海水淡化对环境的不利影响主要是浓盐水的排放问题。浓盐水不仅含盐量高，而且还含有海水预处理时引入的化学物质及海水原水所含的各种有害物质，若排放不当，就会对土壤、地表水、海洋环境等造成污染。目前，常用的浓盐水排放和利用技术包括直接排放法(排入海洋、地表水、污水处理系

统等)和浓盐水再利用(灌溉、制盐、提取化工原料)两类。

1．2．2 电渗析

电渗析(ED)是在外加直流电场的作用下，利用具有选择透过性的离子交换膜的反离子迁移原理，使水中的离子定向迁移。并有选择性地通过带有不同电荷的离子交换膜。从而达到溶质和溶剂分离的过程。电渗析过程无相变发生，在一定含盐量条件下，能耗较低，药剂耗量少，环境污染小，系统结构简单，原水回收率较高，一般能达到65％～80％，预处理简便。但是．ED需要在海水淡化室中加入化学药剂脱除有机物、胶体、细菌和悬浮物等，不适用于制备饮用水。

日本虽已废除盐田制盐，采用电渗析浓缩海水制盐3，但是其能耗较高，为150kW·lgt(以单位盐量计)。在许多国家缺乏市场竞争力，若考虑同RO法结合，则可达到低能耗、低污染的效果。⑶

2 海水淡化的新技术和发展趋势

前面所述传统海水淡化法所需能源均为不可再生的化石能源．环境压力大且面临化石能源枯竭的问题．寻找替代型能源已刻不容缓。替代型能源主要包括核能、太阳能、风能、海洋能、地热能和生物质能等，其中核能海水淡化和太阳能海水淡化研究最多。此外，把不同的海水淡化常规工艺进行结合，把淡化后的卤水加以利用．优化集成为低能耗、低污染、高产水率、低成本的新的海水淡化组合工艺，也是未来海水淡化发展的一个重要趋势。

2．1核能海水淡化

核能海水淡化是利用核反应堆作为能量来源，从海水中生产淡水的方法。核反应堆可以供电和发热．理论上可以与任何常规海水淡化工艺过程相结合。如核能利用发热特性与MSF或者MED结合，利用发电特性与RO结合∽。前苏联的哈萨克斯坦曾建立一座核能海水淡化工厂，并成功运行了26a。日本也曾先后有10个海水淡化装置与核反应堆结合。中国原子能科学研究院李兆桓也研究了核能与多级多效蒸馏结合或压缩多效蒸馏结合的工艺．研究发现其造水比是现有工艺造水比的2．5倍以上。大大降低了海水淡化的成本(约为1元／m3)，从而使核能海水淡化具备了大规模产业化的前景。核能是一种安全、可靠能源，核能海水淡化．可以利用低温供热用核反应堆作为热源，技术难度较核电站低。安全性更高。⑷

2．2太阳能海水淡化

太阳能是取之不尽的洁净可再生能源．若作为淡化能源，不产生二次污染，运行费用最省，所得淡水纯度高。太阳能海水淡化的能量利用方式有两种，一是利用太阳能产生热能以驱动海水相变过程；二是利用太阳能发电以驱动渗透过程。太阳能也可与所有的常规海水淡化工艺过程相结合。

目前．对太阳能海水淡化的研究和应用一般都采用蒸馏法。在近期内也仍将以蒸馏法为主。但它在经济上仍不能跟传统海水淡化技术相比较。蒸馏法中研究最多、技术上最成熟的是太阳能盘式蒸馏器．此外还有利用烟囱技术的太阳能海水淡化新技术。⑸

3 海水淡化的经济竞争优势

海水淡化的投资成本．主要是设备成本．目前淡化能力投资成本(以单位水量