海水淡化技術的應用研究

劉壯志

摘要：本文筆者結合個人在海水淡化技術上的研究經驗與相關參考文獻，就海水淡化技術的工作原理與工藝流程加以總結，并結合能源海水淡化技術對海水淡化技術的發展進行闡述，以供廣大同行參考借鑒。

關鍵詞：海水淡化技術；可再生能源

1.海水淡化技術

1.1多效蒸餾法

早期的多效蒸餾法因為熱表面容易產生水垢問題而受到制約，直至20世紀60年代初期，低溫多效蒸餾技術的出現，有效的緩解了熱表面結垢問題，特別是其系統之中所采用的水平管降蒸發器更是成為了業績標準。

按照進料海水以及蒸汽流動方向的異同，可以將多效蒸餾法的工藝流程分為逆流、順流、平流三種，其中平流式結構是在海水淡化工業上應用最為廣泛的一種多效蒸餾法系統。

具體的工藝流程如下：當海水進入到冷凝器內預熱之后會被分為兩股，其中一股作為冷卻海水會被排放回海水之中以此排除系統內部的過多熱量；另外一股則作為進料海水被分配到各效蒸發容器之中，在每一效的蒸發容器之中通過噴嘴，進料海水會被噴灑到水平布置的換熱管之上。在第一效內水平管上的液膜通過吸收管內加熱蒸汽冷凝之后所釋放出來的潛在能力而蒸發，由此而產生的二次蒸汽會進入到第二效水平管內驅動管外液膜蒸發。由外部蒸汽發生器提供第一效的加熱蒸汽，加熱之后的蒸汽會在管內冷凝形成冷凝水之后在返回到外部蒸汽發生器之中，之后的每一效內水平管外液膜的蒸發都是由上一效的二次蒸汽驅動予以提供的，此時的二次蒸汽在管內凝結成為淡水并被收集到淡水罐之中。

1.2多級閃蒸法

20世紀50年代多級閃蒸法被提出，并因其具有結垢傾向小的優勢，被廣泛應用到工業海水淡化技術之中。通常情況下可以將多級閃蒸法系統分為直流式、海水循環式兩種類型，其中海水循環式多級閃蒸法可以說是當前業界的標準。

具體的工藝流程如下：海水被引入到排熱段冷凝管之中，吸收了蒸汽冷凝所釋放的潛在熱量之后，海水被預熱到一個較高的溫度并將其分為兩個部分，其中一部分冷卻海水直接被排放回海水之中以此排除系統之中的過多熱量。另外一部分作為進料海水在經過脫氣、化學預處理以后，與排熱端的最后一級閃蒸室內海水進行混合，隨后從排熱段的最后一級中抽出循環海水，在被引入到熱回收段的最后一級冷凝管之中。當循環海水沿著冷凝管流動時，就會吸收管外閃蒸蒸汽冷凝時所釋放出來的所有潛在熱量，從而不斷的提高溫度，加熱蒸汽則會在管外壁被冷凝成為冷凝水。此后的熱海水會依次進入到熱回收斷與排熱段的各級閃蒸室內，由于進入到各級閃蒸室內的熱海水，其壓力高于對應的閃蒸室壓力，所以海水會被急劇蒸發產生蒸汽，并通過除霧器去除其中夾帶的海水液滴，最后運用淡水托盤收集淡水。

1.3反滲透法

反滲透法因其能耗較低，成為了現如今最成功的一種海水淡化技術，其基本原理就在于通過壓力驅動對自然滲透現象進行克服。

具體的工藝流程如下：經過預處理的海水在高壓泵作用下，水會通過半透膜遷移至淡水側，而鹽和其他成分則會被遺留在海水側。這是因為水分子通過親水性半透膜的擴散能力要遠遠強于鹽分和其他成分，這也是半透膜半透性的本質所在。

在實際應用過程中由于反滲透系統的能量損耗，主要源自于海水壓力的排放，所以在反滲透系統的使用過程中，往往會為其配備相應的能量回收裝置以回收排放的濃鹽水中的機械壓縮能，從而提高系統的能量使用效率。

2.海水淡化技術的應用發展

隨著近些年來淡水資源的進一步短缺，傳統化石能源成本的不斷上升，以再生能源為驅動力的海水淡化技術早已受到了人們的高度重視。尤其是在比較偏遠的地區無論是水，還是電的供應都極為短缺，更需要加快對可再生能源，這種友好型清潔能源的充分利用。目前在海水淡化技術上，太陽能、風能、地熱能都是最為常見的可再生能源。

2.1基于太陽能的海水淡化技術

對于偏遠地區淡水產品大約在10m3/d的小型海水淡化裝置是最適合使用太陽能海水淡化技術的。可以將太陽能淡水技術分為直接法和間接法兩種。其中直接法主要指的是太陽能蒸餾，即利用太陽能直接對海水進行加熱，產生蒸汽，并在冷凝之后收集得到淡水。根據不同的加熱原理，又可以將太陽能蒸餾分為被動式太陽能蒸餾與主動式太陽能蒸餾兩種。被動太陽能蒸餾不需要依靠輔助設備，主動式太陽能蒸餾則需要額外增加輔助設備。間接法是指太陽能在收集與脫鹽過程是相互分開的，其中太陽能可通過太陽能集熱器轉換為熱能，也可以通過光伏發電轉換為電能，從而用于驅動脫鹽過程。

2.2基于風能的海水淡化技術

所謂的風能海水淡化技術主要是利用風力發電機，將風動能轉換成為電能，在消耗電能的過程中驅動海水淡化。風能海水淡化技術主要有兩種實施方式，一種為風力發電機和海水淡化系統與電網系統進行連接；另外一種則是風力發電機與海水淡化系統相連接，充分利用所產生的電能、轉子葉片在轉動過程中的軸功。需要注意的是使用該種方法海水淡化系統性能會受到風力發電機發電功率不恒定的影響。

2.3基于地熱能的海水淡化技術

所謂的地熱能主要是由地球內部的放射性元素發生衰變而產生的熱能。根據不同的溫度可以將地熱能分為低溫地熱、中溫地熱與高溫地熱。地熱能和海水淡化系統的結合，主要分為三種方式：直接利用中高溫地熱以蒸汽的方式驅動熱蒸餾法；利用高溫地熱發電驅動反滲透法和電滲析法等海水淡化系統；利用高壓地熱驅動反滲透法和壓氣蒸餾法等需要機械能驅動的海水淡化系統。此外，隨著膜技術的發展，已開發出可以承受溫度高達60℃的商業反滲透法膜，可直接應用于地熱苦咸水淡化，且有助于反滲透法中淡水產量的增加。地熱能海水淡化的主要優勢在于系統中不需要蓄熱。

結束語：

可以說新能源、新材料在海水淡化技術的發展過程中所起到的推動性作用早已不言而喻。尤其是新技術的出現使得海水淡化的應用場合變得更加的豐富多樣。所以，在面對全球性淡水資源危機上，還應該做好海水淡化技術的研發工作，以便獲得可持續性的淡水取用。

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