傅澤凱，王慈云

（1.武警海警學(xué)院；2.寧波財經(jīng)學(xué)院，浙江 寧波 315000）

淡水資源短缺現(xiàn)已成為世界各國亟需解決的問題，由于現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，人們的生活水平日漸提高，過度開采地下水、地表水污染嚴(yán)重等一系列人為因素導(dǎo)致可用水資源越來越少。全球缺水的人口越來越多，目前，缺水的國家近30 個。雖然各國都采取了許多措施，無論是宣傳節(jié)約用水、污水處理還是跨流域調(diào)水工程，但終究難以徹底解決缺水問題。地球的7/10 是由水覆蓋，然而大部分水體都是海水，難以直接為人類利用。我國是一個缺水國家，水資源分布有地域差異，尤其是東部城市缺水嚴(yán)重，人均淡水擁有量少，又因為北方大型工廠居多，水污染嚴(yán)重，目前只能依靠南水北調(diào)解決用水問題。我國是一個沿海國家，是海洋大國，有著綿長的海岸線，有實施海水淡化策略的條件優(yōu)勢。利用海水淡化技術(shù)提取淡水，是緩解我國水資源短缺的一項重要舉措。

1 固有海水淡化技術(shù)

固有海水淡化技術(shù)是指從20 世紀(jì)就已經(jīng)流行的熱法和膜法。熱法以多級閃蒸、低溫多效蒸餾等方式為主要形式，膜法有電滲析和反滲透技術(shù)這兩種。這兩類技術(shù)發(fā)展至今工藝成熟，成為公認(rèn)的且最實用的連續(xù)提供淡水資源的方法，應(yīng)用廣泛。據(jù)資料顯示，截至2022年10 月，世界海水淡化日總產(chǎn)量約為1 億噸，可見其速度增長之迅速。

1.1 多級閃蒸（MSF）

該技術(shù)的發(fā)展建立在多效蒸餾技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了解決海水淡化設(shè)備易腐蝕結(jié)垢的問題而提出的。因為在這種技術(shù)中鹽水蒸發(fā)的過程不發(fā)生在傳熱管，所以有效避免了換熱管阻塞結(jié)垢，從而有效減少換熱管的清洗和替換次數(shù)，很大程度上節(jié)省了人力和物力。在這種方法中，水加熱在多個階段，在每個階段，壓力和溫度較前一階段都有所下降。進(jìn)口端鹽水在加熱槽中加熱至90～115℃，產(chǎn)生水蒸氣。第一階段的壓力水平較低于飽和壓力的水蒸氣，當(dāng)一股飽和的水流通過壓力轉(zhuǎn)換器時，壓力突然下降，形成了所謂的突然蒸發(fā)（閃蒸）。隨著鹽水進(jìn)入下一步驟，一些水突然蒸發(fā)，當(dāng)它通過減壓噴嘴時并進(jìn)入蒸汽箱。在冷凝管形成的蒸汽被蒸餾，然后收集進(jìn)特制的塔盤。當(dāng)蒸汽箱出現(xiàn)液體時，一些潛熱被釋放出來，用于在進(jìn)入第一階段前預(yù)熱鹽水。MSF 方法是通過在每個階段中都降低壓力和產(chǎn)生一定量的蒸汽來執(zhí)行，這些蒸汽在同一階段蒸餾，回收的海水量約為10%～30%。將每個階段產(chǎn)出的鹽水都聚集在一起，在后期階段，一部分鹽水被加入脫鹽循環(huán)中以減少供給鹽水的總?cè)莘e。經(jīng)過處理得到淡水的鹽量低于10ppm。MSF方法對于給水條件（溫度、鹽度、不溶性物質(zhì)及高污染百分比）的耐受值較高，適用范圍更廣。

1.2 多效蒸餾法（MED）

MED 也包含了多個步驟的處理，每一步采取放置在單獨的容器中，每個步驟對鹽水的壓力逐漸減少。對于多效蒸餾法，通常用8 ～16 個步驟來降低能源消耗。將蒸發(fā)器管面上的水作為一層薄膜展開，使水迅速蒸發(fā)。產(chǎn)生的蒸汽在一個冷卻的外部表面蒸餾，在這里，蒸餾水的潛熱在較低的溫度和壓力下加熱鹽水，在第一階段的初始加熱后，在其他階段不需要加熱水?？偟恼f來，每個階段的冷凝潛熱被用于在后面的階段把水蒸發(fā)掉，這減少了海水淡化總能源的消耗。因此，該方法的能量消耗低于MSF 技術(shù)。每一步的降壓過程都允許降低給水的蒸發(fā)溫度，不需要任何外部供熱，只有第一級蒸汽需外部提供能源。

1.3 反滲透（RO）

反滲透技術(shù)是以壓力為推動力的膜分離過程，是目前主要的脫鹽方法。反滲透方法的作用在于克服自然的滲透壓現(xiàn)象，當(dāng)鹽水通過半滲透分離得到兩種不同濃度的溶液的離子時，就會發(fā)生這種情況。滲透壓是以濃度的差異為基礎(chǔ)的，水從稀溶液向濃溶液流動，只要化學(xué)平衡正常，化學(xué)過程就會繼續(xù)。只要施加的壓力大于滲透壓，水的流動可以被外界因素逆轉(zhuǎn)。在反滲透中，含無機(jī)鹽（礦物質(zhì)）、可溶性/不溶性有機(jī)物、不溶性氣體和微生物的水通過半透膜。半透膜是一種能讓水比其他材料和化合物以更快的速度流過的薄膜。根據(jù)大小和水中的帶電粒子，這些顆粒留在反滲透的入口部分，而淡水和脫鹽水通過膜表面。因為氣體分子顆粒很小，薄膜不能很好地阻擋它們。就反滲透膜孔的大小而言，它可以很容易地阻擋尺寸大于0.1nm 的固體粒子，這意味著膜可以吸收懸浮固體、微生物、細(xì)菌、病毒和其他對人體有害的物質(zhì)。因此，每個膜層阻止一種特定的粒子。

1.4 電滲析（ED）

電滲析法的商業(yè)應(yīng)用始于1952 年進(jìn)行的苦咸水脫鹽，與反滲透法相比早了10 年。采用電滲析法使用離子選擇性膜來分離帶電粒子水。在這種方法中，通過對鹽水直接通電從淡水中分離礦物。電滲析由一堆陰離子和陽離子膜（在300 和600 之間）組成的，防止它們粘在一起，在膜之間用一些隔離物隔開，鹽水就可以通過它。陽極和陰極位于膜的兩端，當(dāng)鹽溶液中的電極連接到一個外部直流電源，負(fù)離子很容易通過最近的陰離子膜，但在前往陽極的過程中，它們與鄰近的陽離子膜碰撞，因此陽離子向相反的方向移動并通過最近的陽離子膜；然而，它被卡在陰離子膜后面的下一層。通過這種手段，稀釋或濃縮的鹽溶液被放置在膜之間的空隙中。電滲析是一種無相變的鹽水分離技術(shù)，適用于淡化濃度不大于20g/L 的苦咸水，即不適合淡化高濃度苦咸水。尤其要注意的是，為了提高電滲析的效率增加鹽的吸收，必須將多組膜聚集在一起；因此，在這種情況下，該種技術(shù)可達(dá)到95%的淡水回收率。

2 新興海水淡化技術(shù)

目前，海水淡化廠運行的價格非常昂貴，且能源耗費較大，所以需要提出具有創(chuàng)新的方法和技術(shù)來降低成本，使他們具有更強(qiáng)的業(yè)務(wù)能力和更低的能源消耗。因此，研究者正在不斷提高海水淡化廠的效率來降低成本。新型海水淡化技術(shù)的發(fā)展將各種工藝的優(yōu)勢進(jìn)行互補(bǔ)，提升淡水的水質(zhì)，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，具有巨大的發(fā)展空間。

2.1 技術(shù)集成

（1）膜蒸餾。膜蒸餾（MD）具有成本低、節(jié)能等優(yōu)點，能替代傳統(tǒng)的膜法海水淡化工藝，蒸餾和膜法的混合是一種行之有效的方法。MD 法比其他膜分離法的通量低，如反滲透工藝，因此MD 有進(jìn)行大規(guī)模淡水生產(chǎn)的能力。微孔疏水膜分離溫?zé)崛芤簛碜匝b有液體或氣體的冷卻室的溫差產(chǎn)生蒸汽壓梯度，導(dǎo)致蒸汽分子通過膜并在表面凝結(jié)冷卻為高純度淡水。簡言之，膜蒸餾過程分為三個階段：進(jìn)料海水經(jīng)加熱生成蒸汽的氣化過程；水蒸氣穿過膜進(jìn)入低溫側(cè)的遷移過程；蒸汽在低溫側(cè)遇冷生成水的冷凝過程。膜蒸餾雖然集合了蒸餾法和膜法的優(yōu)點，但仍處于不成熟階段，并未實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。

（2）ED-RO 集成海水淡化技術(shù)。這種集成技術(shù)的優(yōu)點是經(jīng)過第一步預(yù)脫鹽處理后，可大大降低海水對金屬管道的腐蝕，同時反滲透工藝過程壓力降4MPa 左右，可采用普通高壓泵。該集成工藝適合在沿海地區(qū)和海島有足夠空間的大中型海水淡化廠應(yīng)用，無論在能源消耗、防腐防垢和可靠性等方面都優(yōu)于單獨的電滲析或反滲透技術(shù)。

（3）正滲透。正滲透與RO 同樣利用膜系統(tǒng)，區(qū)別是驅(qū)使FO 發(fā)生的動力源于膜兩側(cè)的滲透壓差，較高化學(xué)勢側(cè)流向較低化學(xué)勢側(cè)。水到達(dá)驅(qū)動液側(cè)后再經(jīng)過其他方式分離，分離出來的汲取液可以重新回收利用。因FO 工藝在常溫常壓條件下即可進(jìn)行，因此有能耗低的優(yōu)勢；對許多污染物截留率高，分離效果好；對半透膜污染小，所以在海水淡化領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 新能源海水淡化技術(shù)

中國非化石能源消費占比逐年升高，2020 年，已進(jìn)入能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期。促進(jìn)發(fā)展可再生能源，特別是風(fēng)能能源、太陽能和海洋可再生能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的進(jìn)程已經(jīng)深入加速。人們認(rèn)識到開發(fā)以可再生能源為主的新能源為動力來源的意義，可再生能源具有儲量大、可再生、污染小的優(yōu)點。

（1）太陽能。人類對淡水的需求化石燃料消耗的速度每天都在加快。所有類型的可再生能源中，太陽能進(jìn)行海水淡化的工程占有最高的份額，它分為兩個類型：直接型和間接型。接收太陽能量并將其轉(zhuǎn)化為電能的光伏（PV）系統(tǒng)，它已被用于反滲透和去電離子系統(tǒng)；將接收到的太陽能轉(zhuǎn)化成熱能的太陽能系統(tǒng)，熱能可以直接或間接供應(yīng)能量。太陽能在這兩種情況下，能量都被用來運行熱機(jī)。如今，人們的注意力都集中在提高太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率，海水淡化技術(shù)和兩者的最佳結(jié)合，使該系統(tǒng)得以經(jīng)濟(jì)的適用于中小型海水淡化。

（2）地?zé)崮?。地?zé)幔囟却蠹s為60℃）可直接用于膜蒸餾工藝（MD）等其他脫鹽工藝，多效蒸餾（MED)、多級閃蒸（MSF）可以利用地?zé)崮墚a(chǎn)生的電力進(jìn)行操作。在使用地?zé)嵩礋崴M(jìn)行海水淡化的情況下水時，地?zé)崴ㄟ^熱交換器循環(huán)加熱海水和降低壓力使多級腔內(nèi)的水汽化。該先進(jìn)的技術(shù)，以產(chǎn)生大量的脫鹽水，加熱后的熱水循環(huán)加熱若干次海水。這種方法被稱為MED-MSF 法的海水淡化。在地?zé)嵯到y(tǒng)溫度較高的情況下，那里的熱流體溫度較高，超過150℃，可以使用二元發(fā)電技術(shù)。利用地?zé)岚l(fā)電的海水脫鹽是最好的例子之一，工藝預(yù)計可每小時產(chǎn)生80m3的飲用水和470 千瓦電力。海水淡化廠有一個雙重系統(tǒng)，利用地?zé)崴Ｋ褂肕ED-MSF技術(shù)和利用地?zé)岙a(chǎn)生的電力利用上述其他技術(shù)對海水進(jìn)行脫鹽，脫鹽水成本預(yù)計為11.5 元/立方米。

（3）海洋能。據(jù)統(tǒng)計，全球海洋可再生能源的儲量有7.66×108MW 之高，技術(shù)上是可以開發(fā)的，生產(chǎn)能力為6.4×107MW，相當(dāng)于目前遍布世界各地的發(fā)電機(jī)裝機(jī)的生產(chǎn)總?cè)萘?。從理論上講，能量是可以被提取出來的，全球的海洋遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)前或未來的任何海洋人類能源需求。因此，利用海洋可再生能源完全可以滿足全球能源需求和緩解能源危機(jī)下實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的前提。目前，潮汐能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)在各地許多國家商品化。如今很多人認(rèn)為利用海洋可再生資源脫鹽是最具潛力的，可以解決耦合問題、能源和材料問題。當(dāng)利用海洋可再生能源淡化海水時，海洋熱能的流出速度多在蒸汽凝結(jié)方面比其他類型更快，這使得它成為該領(lǐng)域中最成熟的海水淡化技術(shù)。因此，投資是必要的，海水淡化工程的資本投資力爭實現(xiàn)海洋熱能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

（4）風(fēng)能。利用風(fēng)能進(jìn)行海水脫鹽，特別是高風(fēng)勢的沿海地區(qū)是一種很有前途的方法。產(chǎn)生的能量通過風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生電能和機(jī)械能可用于海水淡化過程（特別是RO 和MVC 方法）。基于小型風(fēng)力渦輪機(jī)，世界各地安裝不同的海水淡化裝置。與太陽能一樣，隨著時間的推移，電力輸出的波動是其問題之一。太陽能只能在白天用，晚上無法利用，但夜間風(fēng)速更高，如果我們將太陽能和風(fēng)能系統(tǒng)結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，便能將能源利用的時間和范圍得到極大的提升。

3 海水淡化技術(shù)的應(yīng)用

我國海水淡化技術(shù)經(jīng)過近50 年的發(fā)展，發(fā)展較快，尤其是膜法海水淡化技術(shù)，是為數(shù)不多的掌握該技術(shù)的國家之一。從國家海洋局公布的《2022 年全國海水利用報告》，我國已建成的海水淡化工程112 個，產(chǎn)水規(guī)模達(dá)到了日產(chǎn)92.69 萬噸，最大淡化工程規(guī)模日產(chǎn)20 萬噸。

3.1 國內(nèi)海水淡化技術(shù)應(yīng)用案例

2003 年山東榮成市石島水產(chǎn)供銷集團(tuán)總公司簽署了一項協(xié)議，該項目是一個反滲透海水淡化示范工程，RO工藝采用的膜組件是美國進(jìn)口的高性能反滲透海水淡化復(fù)合膜元件，平均脫鹽率達(dá)到99.6%。2009 年成立的青島百發(fā)公司，采用膜法淡化海水技術(shù)，其中一種用的是反滲透膜，經(jīng)過自清洗過濾、UF 超濾、反滲透、礦化等工序，使海水淡化后到達(dá)工業(yè)用水或者國家生活飲用水的標(biāo)準(zhǔn)，每天產(chǎn)出淡水十萬噸，七年的運行改進(jìn)后淡水產(chǎn)出量大大增加，實現(xiàn)了直接為本地企業(yè)提供生產(chǎn)用水，同時為青島居民生活用水提供了很好的保障，極大地節(jié)約了水資源。

3.2 國外海水淡化應(yīng)用情況

海水淡化在世界各國的海水淡化廠中應(yīng)用。淡化海水的使用在波斯灣，阿爾及利亞，澳大利亞和西班牙正在顯著增長。海水使用僅限適用于沿海地區(qū)和沿海地區(qū)，而那些遠(yuǎn)離海洋的海水還得依賴地下的咸水和淡水層。根據(jù)國際海水淡化協(xié)會（IDA）統(tǒng)計，已成立海水淡化能力從每天500 萬立方米1980 年增加到每天8000 萬立方米2013 年，大約150 個國家使用了這種方法世界淡水獲取。2014 年安裝的全部海水淡化設(shè)備的價值為大約120 億美元，2019 年增加到210 億美元。目前，海水淡化的總?cè)萘渴澜缟厦刻煊?300 萬立方米的天然氣。海水淡化技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用在中東等干旱地區(qū)，地中海和加勒比大陸。最高的裝機(jī)容量屬于中型海水淡化廠占海水淡化總?cè)萘康?5%，由于這些地區(qū)缺乏淡水資源化石燃料的廣泛使用。沙特阿拉伯，阿拉伯酋長國、美國、西班牙和中國的比例最高而印度的海水淡化能力增長最快。

位于澳大利亞西部的南珀斯Kwinana 海水淡化裝置是RO 和風(fēng)力渦輪機(jī)組合的成功典范。該基地生產(chǎn)約140ml/d 淡水，為該裝置提供所需電力的是一個80 兆瓦的風(fēng)力發(fā)電廠。ENERCON 海水淡化裝置是專門設(shè)計用于風(fēng)力發(fā)電，結(jié)合RO 脫鹽裝置，可在可變?nèi)萘浚?2.5%～100%）運行。它能很好地適應(yīng)天氣條件的變化和風(fēng)的波動。

4 結(jié)語

目前，利用海水淡化技術(shù)解決用水緊張是勢不可擋的趨勢，也是最行之有效的方法。LT-MED、RO 和MSF 技術(shù)是最成熟的三大技術(shù)，是應(yīng)用最廣泛的，但存在不足之處。隨著時代進(jìn)步，這些技術(shù)也在改進(jìn)，甚至許多新型海水淡化技術(shù)層出不窮?？傊硐氲暮Ｋ夹g(shù)一定是低成本、低能耗、高效率及易操作的，科研人員正在向著這個目標(biāo)不懈努力。新工藝在技術(shù)上更先進(jìn)、更經(jīng)濟(jì)，但大都沒有實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。隨著可再生能源的開發(fā)和對更低成本的追求，新能源海水淡化是一個新的發(fā)展方向，正處于初始階段，最大的挑戰(zhàn)是能量轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計，普遍問題是供能不穩(wěn)定，但是隨著技術(shù)的深入研究，新能源海水淡化技術(shù)將未來可期。