船用海水淡化技術發展現狀和趨勢*

鄭 高，吳 旭

（武警海警學院機電管理系，浙江寧波 315801）

0 引言

海水淡化亦稱海水脫鹽，即通過一定的方法，除去海水中的鹽分及其他雜質，以獲得淡水。海水中溶解了多種鹽分，不適合直接飲用，又含有海洋腐殖質等物質，與設備直接接觸時會產生腐蝕。對于未配備海水淡化裝置的船舶，若其航行時間較長，須裝載大量的淡水，才能維持正常的生活、生產及航行，這就大大壓縮了人員生活與工作空間及貨物存儲空間；另外，長時的存儲會引起細菌繁殖、水柜污染，最終導致淡水變質[1]。

作為供應淡水的主要設備，海水淡化裝置已成為現代船舶的必要組成部分。根據物理、化學或物理化學原理的不同，傳統的海水淡化技術主要分為兩大類，一類從海水中析出淡水，如蒸餾法（Distillation）、反滲透法（Reverse Osmosis，RO）、冰凍法（Freezing）、水合物法（Hydrate）、溶劑萃取法（Solvent Extraction，SE）等；另一類從海水中去掉鹽，如電滲析法（Electrodialysis）、離子交換法（Ion Exchange，IE）、電容吸附法（Electrosorption）、壓滲法（Pressure Infiltration，PI）等[2]。目前，蒸餾法、反滲透法及電滲析法在船舶上實際應用較多[2]。

本文綜述船用海水淡化技術的發展現狀和趨勢。簡述幾種傳統海水淡化技術的基本原理。列舉近年來船用海水淡化技術相關研究成果與成功應用案例，并從耦合技術的應用、新材料的發明、新技術的推廣、新能源的開發4 個方面分析船用海水淡化技術的當前發展現狀。指出船用海水淡化技術的未來發展趨勢，以期為以后的理論研究與實際應用提供參考與依據。

1 傳統的海水淡化技術

1.1 從海水中取出淡水的技術

1.1.1 蒸餾法

利用蒸餾法進行海水脫鹽已有兩千多年歷史[2]，直到現在，基于蒸餾法的船用海水淡化設備仍是應用的主流。根據不同的蒸餾原理，蒸餾法又分為3 種，即沸騰蒸餾法、閃發蒸餾法及壓氣蒸餾法[1]。沸騰蒸餾法在一定壓力下加熱海水，使其沸騰后產生不含鹽類的水蒸汽，冷凝水蒸汽就得到淡水。閃發蒸餾法的基本原理為：液體的沸點隨著外界壓力的下降而降低，在接近真空的容器內，加熱后的海水會閃發成水蒸汽，冷凝水蒸汽即可得淡水。壓汽蒸餾法的基本原理為：在絕熱條件下壓縮水蒸氣會使其溫度升高，預熱過的海水在蒸發器內受熱蒸發，產生水蒸汽，再在壓縮機內增加水蒸汽的壓力和溫度，然后將高壓高溫的水蒸汽引入蒸發器，以加熱另一部分海水，最后冷凝水蒸汽即得淡水。

1.1.2 反滲透法

反滲透膜具有選擇透過性，能夠截留水中的鹽離子、重金屬離子、膠體、細菌、病毒及其他雜質[3]。反滲透法以高于自然滲透壓的壓力，將海水中的淡水壓到反滲透膜的另一邊。該法適用于電量充足的場合，對前過濾系統等的預處理性能有很高的要求，若預處理不達標，將直接影響到淡水水質、設備運行及出水效率[4]。

1.1.3 冰凍法

根據制冷劑與海水的接觸方式，冷凍法可分為2 種，即直接冷凍法與間接冷凍法[5]。直接冷凍法的制冷劑可選擇異丁烷等物質。制冷劑經過降溫、加壓處理后，噴灑在預冷過的海水上，使部分淡水結成不含鹽分等雜質的冰晶，再對冰鹽水進行洗滌、分離及融化處理，就得到淡水。間接冷凍法的制冷劑可選擇R410A等物質。與直接冷凍法相比，間接冷凍法多了一個結晶器，制冷劑不與海水直接接觸，而通過結晶器冷凍海水，其余過程與直接冷凍法基本相同。冰凍法具有預處理簡單、水垢少、腐蝕小、能耗低等優點[6]，適用于液化天然氣（Liquified Natural Gas，LNG）船。

1.1.4 水合物法

水合物法利用乙烷、丙烷、環戊烷、聚乙烯、環丙烷等氣態水合劑淡化海水。海水與氣態水合劑接觸時會發生水合反應，產生水合物。在高溫或低壓條件下分解水合物即可得淡水。該法能耗低、環保、發展潛力巨大，但目前技術尚不成熟[7]。

1.2 從海水中去掉鹽的技術

1.2.1 電滲析法

電滲析法的基本原理為：在電場作用下，陽離子通過陽離子交換膜，陰離子通過陰離子交換膜。電滲析過程的能耗與給水含鹽量成正比，脫鹽率與進水濃度成反比。電滲析裝置有脫鹽率高、操作性好、膜壽命長、電極可重復使用、綠色環保、經濟性好等優點，適用于電量充足的場合[8]。因不能有效地截留膠體、細菌、病毒、浮游生物等不帶電荷的雜質，故利用該法生產的淡水不適于飲用[9]。

1.2.2 離子交換法

離子交換樹脂是離子交換法的核心。陰、陽離子交換樹脂可分別吸附水中的陰、陽離子，產生氫氧根離子、氫離子，2種離子中和即可實現海水脫鹽。該法具有能耗低、除鹽徹底、除硼率高等優點，亦可從濃海水中提取鉀、溴等元素。其缺點為樹脂再生需耗費大量的化學藥劑，再生液有可能污染環境。開發高容量的離子交換樹脂是提高海水淡化率的關鍵[10]。

1.2.3 電容吸附法

通電電極表面對鹽離子有靜電吸附作用，電容吸附法利用此原理實現海水脫鹽。該法具有設備簡單、操作方便、能耗低、綠色環保等優點[11]。

2 船用海水淡化技術的發展現狀

2.1 耦合技術的應用

將不同類型的技術耦合使用，可以實現優勢互補，形成性能更好的復合型海水淡化技術[12]。

王忠誠等[13]將真空制淡技術與反滲透法相結合，設計了一款復合型海水淡化裝置，具有產水量大、水質好、能耗低、硅垢少等優點。黃曉峰等[14]耦合反滲透法與真空沸騰技術，設計了一款新型海水淡化裝置，由預處理裝置、蒸發和冷凝本體、反滲透膜組件、高壓泵及能量回收裝置等組成，具有產水量大、供水質量高、維修費用低等優點，適于生產鍋爐與人員生活用水。張皓興等[6]通過冷凍-重力脫鹽實驗，研究融化率對人工海冰脫鹽效果的影響，得出了“冷凍-重力-反滲透復合海水淡化方法的產水率與水質均優于冷凍-重力脫鹽法，且其高壓泵泵耗小于反滲透法”的結論。章先濤等[15]將冷凍淡化裝置與毛細蒸發裝置相結合，設計了一款新型海水淡化裝置，海水在結晶室釋放出的熱量在蒸發室內獲得重新利用，所產生的水蒸汽用于融化冰晶，具有較高的海水淡化效率，應用前景良好。楊洛鵬等[16]針對“低溫多效蒸發溫度的范圍受制于冷凝器冷卻水的溫度”的難題，提出一種冷熱耦合塔式海水淡化系統，將海水淡化和空調制冷相結合，以塔式多效蒸發裝置代替吸收式制冷系統的蒸發器和冷凝器，利用船舶柴油機排氣熱量與缸套冷卻水熱量為動力來源，減少了船舶的耗電量與裝置的體積。

2.2 新材料的發明

各種新材料的發明為船用海水淡化技術的發展提供了契機。石墨炔膜、柱狀石墨烯膜、碳納米管膜、含有PAF納米顆粒的柔性聚合物膜、共價有機框架膜、金屬有機框架膜、無機納米材料混合基質反滲透膜等紛紛出現，在船用海水淡化領域展現出了強大的生命力。

南京航空航天大學納米科學研究所成功研制出石墨炔膜，海水淡化速度是傳統反滲透膜的100 倍，若其獲得應用，必將引發一場“革命”[17]。柱狀石墨烯目前主要用于能源氣體凈化分離與存儲運輸，由于其反滲透機理尚不明確，故未受到太多關注，張澤程等[18]基于分子動力學方法，深入研究壓強、溫度及膜剪切運動的變化對柱狀石墨烯反滲透膜脫鹽性能的影響規律，驗證了柱狀石墨烯在海水淡化領域的良好應用前景。作為一種理想的海水淡化膜分離材料，碳納米管具有一維特征孔道結構，能夠有效提高液體分子的傳輸速率，趙曼等[19]綜述了碳納米管的結構、膜分離性能及其在海水淡化膜分離材料中的應用現狀、研究進展、面臨的挑戰及發展潛力。美國加州大學伯克利分校的專家發明了一種柔性聚合物膜，含有PAF 納米顆粒，可選擇性地吸收近100%的鐵、銅、汞、硼等金屬，并能捕獲黃金等有價值的金屬，將其用于海水淡化，可生產安全清潔的淡水，并具有較高的經濟效益[20]。共價有機框架膜孔道大小可控、化學性質可調，是用作高性能膜分離材料的理想選擇，蔣成浩等[21]闡述了共價有機框架膜的合成方法及其在海水淡化領域的研究進展、應用前景及面臨的挑戰。金屬有機框架膜適用于反滲透、納濾等類型的海水淡化，邱新啟等[22]對其影響因素做了深入分析，闡述了近年來的相關研究成果及其發展方向。無機納米填充混合基質反滲透膜具有水通量高、截鹽率高、耐久性強等優點，零維、一維、二維無機納米及多維納米復合填充混合基質反滲透膜是目前的研究熱點，在海水淡化領域展現出了強大的應用潛力[23]。碳基材料具有光吸收能力強、光熱轉換效率高、耐鹽性好、水傳輸平衡等優點，適用于太陽能海水脫鹽，Wang Tianyi 等[24]分析了碳基材料的光熱轉換機制，歸納了相關研究成果，指出了現階段存在的關鍵問題和挑戰，為下一步改進碳基材料、提高太陽能海水淡化效率提供了參考。

2.3 新技術的推廣

近年來，傳統的海水淡化技術得到了不斷的優化與發展，人工智能、仿生學等新技術的引入大大提高了海水淡化設備的性能，各種新設計（如便攜式海水淡化裝置）紛紛出現，并得到了迅速的推廣。

繆紅建[25]設計了一種新型船用板式蒸餾造水機，優化了換熱板片的結構及流道，以一組換熱板片集成了蒸發、分離、冷凝3 種功能，舍棄了原有裝置的銅制外殼，減少了設備體積，節約了空間，降低了淡水生產成本。吳干[26]設計了一個豎管升膜蒸發海水淡化系統，建立了蒸發器、冷凝器的數學模型，利用C語言編寫系統程序，通過安裝預熱器和噴射器來改善系統的熱力性能，并降低造水成本，有效解決了“首效蒸發器預熱使造水比減小、比冷凝水量增大的問題”。何祥寧等[27]優化基于蒸餾法的海水淡化裝置，利用船舶主柴油機排煙余熱進行海水脫鹽，優化后的裝置具有制淡過程簡單、易于操作、淡水純度高、產水量大、耗能少、污染小等優點。鮑克勤等[28]設計了一款基于模糊邏輯的海水淡化溫控系統，通過自適應PID 控制方法實現穩態無靜差，利用變論域模糊控制方法提高系統的精度與穩定性，有效解決了傳統低溫多效蒸餾溫控系統中存在的諸多問題，如過程復雜、非線性、大時滯等。劉銳等[29]針對12 800 t 的LNG 船，提出了一個冷能梯級綜合利用系統方案，利用滿足發電、空調、冷庫及海水淡化冷量需求以外的剩余冷量，合理選擇冷媒，基于Aspen HYSYS進行過程模擬與分析及方案優化，釆用遺傳算法匹配優化系統的關鍵參數。結果表明，“發電+冷庫+海水淡化+蓄冷”方案將效率提高到40.04%，性能最優。孫毅與王煒[30]基于MEA-BP 神經網絡，提出了一種船用反滲透海水淡化系統性能預測模型，輸入變量為進水流量、海水濃度、溫度及操作壓力，輸出變量為淡水流量、產水電導率及能耗，學習樣本和測試樣本為各個影響因素均勻正交試驗數據，在確定BP 神經網絡的拓撲結構后，利用MEA 優化BP 神經網絡的初始權值和閾值，訓練完成進行仿真預測，仿真結果表明該模型預測精度較高，運算速度較快，具有一定的實用價值。為提高利用太陽能進行海水淡化的蒸汽轉化率，Li Yeran 等[31]設計了一種新型仿生葉片結構，以親水聚乙烯醇海綿層為葉肉組織層，以聚吡咯層為的葉綠素層，以微/納米尺度的多孔疏水表面層為氣孔層。親水海綿層的聚乙烯醇聚合物網絡具有高孔隙率和低導熱性，能夠提供高效的水傳輸通道，同時降低內部水蒸發焓；聚吡咯層負載于親水聚乙烯醇海綿層，可將吸收的太陽能轉化為內能，用于加熱蒸發；多孔疏水表面層具有邊緣效應，用作水蒸氣的高效逃逸通道。實驗結果表明，該裝置在室外自然光照條件下即可實現海水的脫鹽和凈化，具有一定的實用價值。李萌等[32]設計了一款便攜式海水淡化裝置，由供能模塊、制水模塊、自動控制模塊及輔助模塊構成，采用太陽能板與蓄電池供電，制水模塊采用中空纖維疏水膜組件、分段式膜蒸餾工藝，能夠實現能量核算、實時監控及一鍵化自動運行，具有結構緊湊、操作簡單、密封性好、重量輕、便于海陸攜帶等優點。王長金等[33]設計了一款便攜式手動海水淡化裝置，主要組件包括內膽、推桿、膜元件、外袋等，轉動推桿手柄即可產生淡水，體積小巧，不需外加電源，能固定在傳統救生衣上，可用作海軍士兵的后勤保障裝備。向誠等[34]設計了一個便攜式海水淡化系統，采用太陽能風力發電為動力源，以智能手機為上位機控制端，以海水淡化系統為下位機，具有GPS 定位、系統電量無線檢測、設備智能控制等功能，節能環保，能耗低，體積小，適用于小型船舶。

2.4 新能源的開發

以太陽能、風能、波浪能、核能等為能量來源的海水淡技術也是研究熱點[35]。

李吉淑等[36]設計了一種聚能式多效太陽能海水淡化系統，由低倍聚光太陽能集熱器、太陽能聚熱平板、原水儲水箱、導熱油箱、蒸餾室、蒸發器、冷凝器、油泵等部分組成，能夠充分利用蒸汽冷凝潛熱，具有較高的能量利用效率與系統集熱效率。耿保陽等[37]發明了一款太陽能海水淡化裝置，由帶有儲水槽的浮體、錐形透明罩體等構成，浮體上設置了淡水收集管，其進水口與罩體底部邊緣對應，并與淡水收集裝置連通。該裝置結構簡單，使用方便，成本低，能放在海水中使用，可作為應急救生裝置配置于救生艇筏之上。蘇曉紅[38]發明了一種能夠綜合利用太陽能與風能的船用海水淡化裝置，采用活性炭對海水進行初次淡化，在晴天利用太陽能對海水進行二次蒸餾淡化，在陰天利用風力機發電加熱實現對海水的二次蒸餾淡化，具有產水量大、水質好、無污染等優點，適用于多變環境。韓昕璐等[39]發明了一款船載式波浪能海水淡化裝置，由3 個模塊構成，即波浪能收集模塊、集成膜反滲透淡化模塊及檢測反饋模塊。波浪能收集模塊支架包括鉸鏈和3 塊窄鋼板，浮子位于支架下端，鉸鏈將活塞式液壓缸固定于支架之上，吸水管道的出水口與活塞式液壓缸的入水口相連接。集成膜反滲透淡化模塊由液壓管路和三支膜（超濾預處理膜、陶氏SW30-2540 主體膜及補償膜）組成。檢測反饋模塊由單片機控制，并配有連接管道、鹽度計、水流量計及電磁閥。該裝置完全利用波浪能進行海水脫鹽，體積小，方便攜帶，在遠洋貨船上具有良好的應用前景。核反應堆可產生熱能或電能，熱能可用于多級閃蒸或多效蒸發式海水淡化，電能可用于反滲透式海水脫鹽，水電聯產即利用核能在造水的同時又發電，是必然的發展趨勢[40]。

3 船用海水淡化技術的發展趨勢

淡水質量是影響船員身體健康的主要因素之一，也是影響船舶設備正常運行的重要因素之一，生產不含鹽離子、重金屬離子、膠體、細菌、病毒及其他雜質的高品質淡水，是人們對船用海水淡化技術的最基本要求。現代船舶的噸位越來越大，航行時間越來越長，增加了人員與設備對淡水的需求量，在此背景下，產水率高低成為衡量船用海水淡化設備性能的重要標志之一。近年來，能源危機席卷全球，油荒、氣荒等頻頻發生，各行業、各領域都在追求低能耗的生產方式，船用海水淡化設備也不例外，遠離陸地，燃料補給困難，能耗低就意味著增加船舶的續航力。人類面臨日益嚴重的環境污染問題，世界各國紛紛制定出臺了嚴格的海上防污染措施，以限制船舶的污染物排放，在此背景下，低污染成為船用海水淡化技術性能的硬性指標。隨著船用海水淡化技術的不斷進步，造水成本呈不斷下降趨勢。船舶艙室的空間有限，設備的體積越小，人員生活與工作空間及貨物存儲空間就越大，因此，設備體積的小型化成為船用海水淡化技術的重要發展方向。隨著人工智能、計算機網絡、物聯網、自動控制等技術的發展與引入，船用海水淡化設備的智能化程度越來越高，這將大大提高設備的整體性能，降低設備的能耗、磨損及人力成本等。船舶設備的運行環境很惡劣，天氣陰晴不定，海況變幻莫測，艙室內振動大、噪聲大、腐蝕大、霉菌多，在各種復雜工況下，產水品質與產水量均不受外界環境影響的具有高可靠性的海水淡化技術必然受到重視。

綜上所述，未來船用海水淡化技術的發展趨勢為高水質、高產水率、低能耗、低污染、低成本、小型化、智能化、高可靠性等。前述的耦合技術的應用、新材料的發明、新技術的推廣、新能源的開發，都可看作是為了提高上述性能指標而做的嘗試與努力。

4 結束語

本文綜述船用海水淡化技術的發展現狀和趨勢。簡述傳統海水淡化技術的基本原理。列舉近年來與船用海水淡化技術相關的研究成果與成功應用案例，并從耦合技術的應用、新材料的發明、新技術的推廣、新能源的開發4 個方面分析船用海水淡化技術的當前發展現狀。

全球航運業的蓬勃發展與領域技術的不斷進步，為船用海水淡化技術的發展提供了契機。未來船用海水淡化技術必然朝著高水質、高產水率、低能耗、低污染、低成本、小型化、智能化、高可靠性等方向發展。我國海運船隊控制運力的規模已位居世界前列，但船用海水淡化技術還是落后于以色列、美國、日本、英國等發達國家。必須加大投入力度，發揚自主創新精神，努力縮小差距，研發高質量的產品，提高我國在世界船用海水淡化市場的話語權。