海水淡化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

文/李晨，集美大學(xué)

引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展以及環(huán)境污染問題的日益加劇,水資源極度緊缺已成為一個世界性的普遍問題。目前,全世界有100多個國家存在不同程度的缺水問題。我國的人均水資源占有量只有2200立方米,僅為世界平均水平的1/4,是全球人均水資源占有量最貧乏的13個國家之一。世界上可被人類直接利用的淡水資源不到總水資源的0.01%,而人口的增長,農(nóng)業(yè)和工業(yè)的發(fā)展,導(dǎo)致淡水尤其是潔凈的淡水迅速減少。目前有3億人口需要靠海水或含鹽地下水的再加工來獲取生活用水,因而海水淡化具有重大戰(zhàn)略意義和發(fā)展前景。然而,海水溫度、洋流和鹽度等對于其淡化都是非常重要的影響因素,需要在脫鹽等技術(shù)方面加以深入研究與探討。

1 海水淡化技術(shù)簡介

海水淡化是指脫去海水中多余的鹽份和其他礦物質(zhì)的過程。全球海水淡化技術(shù),從大的分類上看,主要分為蒸餾法(熱法)和膜法兩大類，目前，世界上裝機應(yīng)用的海水淡化膜方法主要有多級閃蒸(M SF)、多效蒸發(fā)(MED)和反滲透法(RO)，半個世紀(jì)以來己養(yǎng)活了世界上1億多的人口，促進了干旱沙漠地區(qū)和發(fā)達(dá)國家沿海經(jīng)濟和社會發(fā)展。其中MED法、MSF法和RO法是當(dāng)今海水淡化三大主流技術(shù),并且已經(jīng)成功開展了大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。

2 海水淡化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

截止2000年為止，世界上已有每天處理量大于100立方米海水淡化裝置24600個，總處理容量已達(dá)到3200萬立方米每天。

在我國，海水淡化年產(chǎn)量也已超過千萬噸，中國是繼美、法、日、以色列等國之后研究和開發(fā)海水淡化先進技術(shù)的國家之一，繼西沙群島日產(chǎn)200噸電滲析海水淡化裝置成功運行后，先后在舟山建成了日產(chǎn)500噸反滲析海水淡化站，在大連長海建成日產(chǎn)1000噸海水淡化站。

3 海水淡化裝置

3.1 蒸餾法：蒸餾淡化過程的實質(zhì)就是水蒸氣的形成過程，其原理如同海水受熱蒸發(fā)形成云，云在一定條件下遇冷形成雨，而雨是不帶咸味的。

3.2 冷凍法：冷凍法，即冷凍海水使之結(jié)冰，在液態(tài)淡水變成固態(tài)冰的同時鹽被分離出去。

3.3 反滲透法：通常又稱超過濾法，是1953年才開始采用的一種膜分離淡化法。該法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質(zhì)透過的半透膜，將海水與淡水分隔開的。反滲透法的最大優(yōu)點是節(jié)能。它的能耗僅為電滲析法的1/2，蒸餾法的1/40。

3.4 太陽能法：人類早期利用太陽能進行海水淡化，主要是利用太陽能進行蒸餾，所以早期的太陽能海水淡化裝置是盤式太陽能蒸餾器，人們對它的應(yīng)用有了近150年的歷史。由于它結(jié)構(gòu)簡單、取材方便，至今仍被廣泛采用。太陽能海水淡化技術(shù)由于不消耗常規(guī)能源、無污染、所得淡水純度高等優(yōu)點而逐漸受到人們重視

3.5 低溫多效：多效蒸發(fā)是讓加熱后的海水在多個串聯(lián)的蒸發(fā)器中蒸發(fā)，前一個蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的蒸汽作為下一蒸發(fā)器的熱源，并冷凝成為淡水。其中低溫多效蒸餾是蒸餾法中最節(jié)能的方法之一。

3.6 多級閃蒸：所謂閃蒸，是指一定溫度的海水在壓力突然降低的條件下，部分海水急驟蒸發(fā)的現(xiàn)象。目前全球海水淡化裝置仍以多級閃蒸方法產(chǎn)量最大，技術(shù)最成熟，運行安全性高彈性大，主要與火電站聯(lián)合建設(shè)，適合于大型和超大型淡化裝置，降低單位電力消耗，提高傳熱效率等。

4 海水淡化技術(shù)的應(yīng)用

在位于以色列特拉維夫市南10米處的一片地中海海灘上，一家新建的大型工業(yè)工廠正晝夜不停地運轉(zhuǎn)。這是世界上最大的現(xiàn)代化海水淡化廠，提供整個國家20%的居民用水量。該工廠由以色列海水淡化企業(yè)或IDE技術(shù)公司為以色列政府承建，建設(shè)成本5億美元左右，工廠使用傳統(tǒng)的淡化技術(shù)，即反滲透（RO）海水淡化。得益于一系列工程技術(shù)進步和材料的改善，工廠海水淡化的成本降低，淡化規(guī)模更達(dá)到史上最高。全世界大約有7億人口缺乏清潔用水。十年后，該數(shù)字可能會暴增到18億。在許多地區(qū)，從海洋中提取淡水是增加供水量的唯一可行途徑。這家新建的以色列工廠，名為So rek，于2013年后期最終完成，目前剛投入全容量生產(chǎn)；預(yù)計每天能生產(chǎn)62.7萬立方米淡水，這說明，像這樣的大型海水淡化工廠確實可行、有效。實際上，淡化海水是目前以色列主要的供水來源。20 04年，以色列供水還完全依賴地下水和雨水，到現(xiàn)在，國內(nèi)已有四家海水淡化廠正在運行——其中Sorek規(guī)模最大。這些海水淡化廠清潔用水供應(yīng)量在以色列全國供水量中占40%。到2016年，以色列將投入運行更多海水淡化廠，屆時，預(yù)計整個國家用水量的50%左右均來自海水淡化。一直以來，業(yè)界對反滲透技術(shù)的詬病在于，成本太高。該技術(shù)過程需要大量能耗，將鹽水壓向聚合物膜并使之滲透，聚合物膜上布滿小孔，能濾出淡水、留下鹽離子。Sorek計劃以每立方米58美分的價格向以色列水務(wù)管理局出售淡水（1000公升淡水，即以色列一個人一周的用水量），與目前傳統(tǒng)海水淡化廠相比，該價格已經(jīng)偏低。而且，Sorek的能耗在世界上所有大規(guī)模海水淡化廠中最低。Sorek海水淡化廠在工程學(xué)方面做了相應(yīng)改進，因而與先前的RO法淡化廠相比，效率 更高。它是世界上首家使用直徑16英寸而非8英寸壓力管的大型海水淡化廠，所需管道及其他硬件的數(shù)量僅為傳統(tǒng)淡化廠的四分之一，如此便大幅度降低了成本。此外，So rek還配置有高效泵和能量回收設(shè)備。澳大利亞、新加坡，以及某些波斯灣國家已經(jīng)在大量利用海水淡化供水，加利福尼亞州現(xiàn)在也開始積極地投入該項技術(shù)的使用中。

5 海水淡化技術(shù)的發(fā)展前景

5.1 加州大學(xué)研發(fā)出新型外置復(fù)合式拋物面聚光海水淡化系統(tǒng)

2015年，美國加州大學(xué)默塞德分校太陽能技術(shù)研究所的研發(fā)人員開發(fā)出了一種名為XCPC的外置復(fù)合型拋物面形聚光器，該系統(tǒng)有可能為被持續(xù)干旱所困擾的加州帶來一種新型的太陽能海水淡化解決方案，并緩解當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)灌溉水短缺問題。加州大學(xué)太陽能技術(shù)研發(fā)中心主任Roland Winston表示：“常規(guī)的膜法海水淡化過程會產(chǎn)生有用的淡水和大量需要處理的咸水，而XCPC系統(tǒng)可以使水的蒸發(fā)過程更加高效，而且成本很低?！?/p>

談到該系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點，Roland Winston表示：“我們的外置復(fù)合拋物面形聚光器可以通過收集陽光產(chǎn)生高溫，而且可達(dá)到的溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生產(chǎn)水蒸汽所需要的溫度。同時很關(guān)鍵的一點是我們的集熱器不需要使用跟蹤系統(tǒng)，沒有任何需要活動的組件。事實上，其它大部分可以獲得如此高溫的太陽能技術(shù)都需要使用跟蹤系統(tǒng)，而且成本較高?！盧oland Winston進一步解釋道，一般使用跟蹤系統(tǒng)的太陽能集熱器對于直射陽光要求很高，而且往往需要在晴朗的天氣條件下才能運行。而他們的XCPC集熱器則完全不同，在朦朧和多云的天氣條件下依然可以正常運行。

5.2 上海應(yīng)物所取得碳納米管海水淡化技術(shù)新突破

目前，利用碳納米管復(fù)合膜進行海水淡化的技術(shù)有了新的突破。從理論上看來，碳納米管似乎非常適合應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域。因為通過此前科學(xué)家們的分子模擬顯示，離子在較窄的碳納米管中遇到較大的能壘而不能通過，而水則沒有遇到這樣的能壘可順利通過，所以科學(xué)家們一直期待可以通過使用較窄的碳納米管制備得到的復(fù)合膜來大大地降低海水淡化成本，從而為人們提供更多的淡水。但事實上，該技術(shù)的除鹽能力一直沒有得到充分的驗證。

中國上海應(yīng)用物理研究所方海平博士等研究人員認(rèn)為他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了為什么碳納米管除鹽能力始終沒有達(dá)到理論水平的秘密，并提出了相應(yīng)的解決辦法。方海平和他參與研究的同事認(rèn)為，該技術(shù)存在的主要問題在于如果碳納米管足夠窄，則水中的鹽分被阻擋不能通過，而這些管道也可能被水中的離子阻塞而導(dǎo)致水也無法通過。他們認(rèn)為，此前對于碳納米管用于海水淡化的模擬對于離子和碳納米管之間的相互作用力描述的并不充分。

通過模擬發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改造的碳納米管的水通過率可以達(dá)到40%左右。另一種思路是，通過向碳納米管施加一個強大的電場可以把離子移位。但方海平和其同事們更喜歡第一種思路，即防止碳納米管被阻塞。方海平解釋說：“這種方法不需要消耗能源，同時也不需要配置大型的設(shè)備來產(chǎn)生強大的電場，可以使海水淡化過程更加方便。”

6 結(jié)束語

隨著我國工業(yè)化進程的加快，隨著我國工業(yè)化進程的加快，以及水環(huán)境污染的日益加劇，水資源短缺將成為今后相當(dāng)長時期內(nèi)需要面對的重大問題。海水淡化技術(shù)是解決水資源短缺的重要途徑和方法之一。