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海水淡化技術(shù)簡(jiǎn)介與展望 海水淡化技術(shù)簡(jiǎn)介與展望摘要：本文分析了海水淡化的意義，概括了我國(guó)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，及主要技術(shù)方法，分析了存在的問(wèn)題，提出了我國(guó)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。關(guān)鍵詞： 海水淡化； 蒸餾法； 膜法；太陽(yáng)能；石墨烯篩子 ；影響；展望海水淡化是開(kāi)源之舉，是水資源的重要補(bǔ)充和戰(zhàn)略儲(chǔ)備。發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)，對(duì)緩解我國(guó)沿海缺水地區(qū)和海島水資源短缺狀況，促進(jìn)中西部地區(qū)苦咸水、微咸水淡化利用，優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)，保障水資源可持續(xù)利用具有重要意義；海水淡化產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)有利于培育形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變。經(jīng)過(guò)“十五”，特別是“十一五”海水淡化技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，我國(guó)海水淡化發(fā)展的重點(diǎn)，已經(jīng)不是能否產(chǎn)出合格的淡化水，而是如何應(yīng)用淡化水和如何用好淡化水；已經(jīng)不僅僅是促進(jìn)海水淡化技術(shù)進(jìn)步，而是全面發(fā)展包括技術(shù)研發(fā)、裝備制造、工程設(shè)計(jì)與建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)與應(yīng)用、原材料生產(chǎn)與銷售、交流與培訓(xùn)等各環(huán)節(jié)在內(nèi)的海水淡化產(chǎn)業(yè)。因此，研究戰(zhàn)略、制定規(guī)劃，全面系統(tǒng)地促進(jìn)海水淡化產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展是十分必要和緊迫的。1 海水淡化的意義海水淡化是通過(guò)物理、化學(xué)或物理化學(xué)方法從海水中獲得淡水的技術(shù)和過(guò)程。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,海水淡化作為一種新的淡水供給技術(shù), 正在顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和良好的前景。首先,海水淡化實(shí)現(xiàn)了水資源量的增加。其次, 向大海要淡水,取之不盡, 用之不竭; 而且可以按需生產(chǎn) 確保供應(yīng)。第三,占地少、無(wú)污染、水質(zhì)好。投資費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)成本過(guò)高一直是制約海水淡化技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的主要因素。半個(gè)多世紀(jì)來(lái), 隨著海水淡化技術(shù)的不斷發(fā)展, 其投資和操作成本大幅度降低。目前海水淡化的成本已經(jīng)降至4 一7 元泣方米。如果進(jìn)一步提高海水淡化后濃鹽水的綜合利用,則其淡化成本還可以大大降低。海水淡化與其他幾種淡水獲取方式的成本比較如表1所示：在我國(guó), 由于受計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的影響, 長(zhǎng)期以來(lái)自來(lái)水的價(jià)格與價(jià)值嚴(yán)重背離,政府負(fù)擔(dān)著巨額補(bǔ)貼。隨著合理的水價(jià)機(jī)制逐步形成, 水價(jià)將較大幅度提高?？梢灶A(yù)見(jiàn), 在不久的將來(lái), 一方面海水淡化成本不斷降低,另一方面自來(lái)水的價(jià)格不斷上漲, 兩者將越來(lái)越接近,海水淡化的成本問(wèn)題將得以徹底解決,從而對(duì)海水淡化的廣泛應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程產(chǎn)生極大的促進(jìn)作用。表1 淡水獲取方式的成本比較取水方式成本備注地表取水水質(zhì)惡化開(kāi)采地下水限制開(kāi)采量遠(yuǎn)程調(diào)水引灤人津: 2. 3 元/ 立方米(直接成本)2000 年數(shù)據(jù)南水北調(diào):5 一20 元/ 立方米(到北京平均水價(jià))海水淡化海水: 4 一7 元/ 立方米(綜合成本)2.發(fā)展現(xiàn)狀從2003 年起，特別是“十一五”以來(lái)，我國(guó)海水淡化快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)已經(jīng)具備，產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，海水淡化產(chǎn)業(yè)前景廣闊。2003年，我國(guó)海水淡化產(chǎn)能不足3伊104 m3/d，而目前已近70伊104 m3/d，海水淡化能力以年均70%的速度增長(zhǎng)；我國(guó)自行設(shè)計(jì)建設(shè)的日產(chǎn)5伊104 m3反滲透法海水淡化裝置和日產(chǎn)1.25伊104 m3蒸餾法海水淡化裝置已建成投產(chǎn)，且運(yùn)行良好；多個(gè)日產(chǎn)1伊10410伊104 m3級(jí)海水淡化工程已經(jīng)建成或正在建設(shè)；海水淡化成本逐步下降目前為56元/m3。目前，我國(guó)海水淡化產(chǎn)業(yè)已具備全面快速發(fā)展的條件：一是我國(guó)海水淡化技術(shù)已有較大的進(jìn)步，并取得了突破性進(jìn)展；二是在技術(shù)研發(fā)、裝備制造、工程設(shè)計(jì)建設(shè)和工程應(yīng)用等方面都取得了較快地發(fā)展，海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展已具備條件；三是海水淡化市場(chǎng)已基本形成，包括海水淡化水及其產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)；四是各級(jí)人民政府高度重視海水淡化，積極出臺(tái)推動(dòng)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策措施；五是社會(huì)各界關(guān)注海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。3 海水淡化的主要方法簡(jiǎn)介3.1 蒸餾法蒸餾法是通過(guò)加熱海水使之沸騰汽化再把蒸汽冷凝成淡水的方法。蒸餾法海水淡化技術(shù)是最早投人工業(yè)化應(yīng)用的淡化技術(shù), 與膜法海水淡化技術(shù)相比,蒸餾法具有可利用電廠和其他工廠的低品位熱、對(duì)原料海水水質(zhì)要求低、裝置的生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)前海水淡化的主流技術(shù)之一。1 .多級(jí)閃蒸法(MS F)多級(jí)閃蒸自二十世紀(jì)五十年代商業(yè)化以來(lái), 由于其突出的優(yōu)點(diǎn),在中東地區(qū)得當(dāng)了廣泛的應(yīng)用。多級(jí)閃蒸的工作原理如下2 :經(jīng)過(guò)預(yù)處理的海水加熱到一定溫度后進(jìn)人閃蒸室, 由于該閃蒸室中的操作壓力低于熱海水溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓,所以熱海水在進(jìn)人閃蒸室后即成為過(guò)熱水而急速的部分汽化,從而使熱海水自身的溫度減低,所產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)原水冷卻冷凝后即為所需的淡水。多級(jí)閃蒸與其他淡化技術(shù)相比,具有如下的優(yōu)點(diǎn):.由于此方法加熱與蒸發(fā)過(guò)程分離, 并未使海水真正沸騰(僅是表面沸騰) , 從而大大改善了一般蒸餾的結(jié)垢問(wèn)題;.技術(shù)成熟可靠, 運(yùn)行安全性高,特別適合于大型的海水淡化應(yīng)用;.設(shè)備機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單,投資成本較低。而其主要缺點(diǎn)有:.大量海水的循環(huán)和流體的輸送, 導(dǎo)致操作成本升高;.與多效蒸餾法相比, 需要較大的熱傳面積;.總是與發(fā)電站聯(lián)合使用。圖1 濃海水循環(huán)型多級(jí)閃蒸技術(shù)工藝流程2 . 多效蒸餾法(ME D )雖然多效蒸餾法是最早使用的海水淡化技術(shù), 但由于結(jié)垢和腐蝕等問(wèn)題, 一直未得到廣泛的應(yīng)用。隨著低溫多效蒸餾技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展, 其所占的市場(chǎng)份額正不斷擴(kuò)大。其原理是利用高溫蒸汽與海水之溫差進(jìn)行熱交換后,將受熱沸騰而蒸發(fā)的水蒸汽冷凝并收集而成。與多級(jí)閃蒸相比, 多效蒸餾法具有以下的優(yōu)點(diǎn):.傳熱系數(shù)高,所需的傳熱面積少;.動(dòng)力消耗低;.操作彈性大;.熱利用效率高。而其主要缺點(diǎn)有:.由于海水在加熱表面上沸騰,容易在傳熱管壁上結(jié)垢, 需要經(jīng)常進(jìn)行清洗和采用嚴(yán)格的防垢措施;.規(guī)模較小,而且主要與發(fā)電站聯(lián)運(yùn)。圖2 低溫多效蒸餾技術(shù)工藝流程示意圖3 .蒸汽壓縮法(VC)蒸汽壓縮技術(shù)進(jìn)人商業(yè)用途始于二十世紀(jì)三十年代。蒸汽壓縮法是利用機(jī)械壓縮機(jī)把海水蒸發(fā)所產(chǎn)生的二次蒸汽壓縮、升壓和升溫, 再作為加熱和使海水蒸發(fā)熱源的過(guò)程。 具有如下的優(yōu)點(diǎn):需要蒸汽作為熱源, 所需要的僅僅是電能;需要冷卻水,設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,過(guò)程效率高;設(shè)備可靠, 可長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行。其缺點(diǎn)主要是:壓汽機(jī)造價(jià)高;設(shè)備容易結(jié)垢;規(guī)模較小.3.2 膜法膜作為一種新型的分離技術(shù), 半個(gè)多世紀(jì)來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。海水淡化是膜分離技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。與蒸餾法相比,膜法具有適用范圍廣、分離效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。1. 電滲析法( E D )電滲析技術(shù)是2 0 世紀(jì)5 0 年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)水處理技術(shù)。它的基本原理是: 當(dāng)含鹽水通過(guò)電滲析時(shí),水中的陰陽(yáng)離子在外加直流電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生定向移動(dòng),透過(guò)具有選擇性的離子交換膜,從而達(dá)到離子從溶液中分離的方法。電滲析具有以下的優(yōu)點(diǎn):設(shè)備簡(jiǎn)單,操作方便;化學(xué)藥劑消耗少, 環(huán)境污染小;設(shè)備規(guī)模和脫鹽濃度范圍適應(yīng)性大;與蒸餾法相比, 能耗低.其主要缺點(diǎn)有:對(duì)非電解質(zhì)和弱電解質(zhì)難以去處;設(shè)備部件裝配技術(shù)要求高;溶液中離子濃度越高, 電耗越高, 越經(jīng)濟(jì);因此, 電滲析法主要適用于含鹽量在5 0 0 -50 0 0m 歲L 的苦咸水淡化;.目前海水淡化不建議使用電滲析法。2 . 反滲透法(R O )反滲透是利用壓力使溶液中的水通過(guò)半透膜而分離出來(lái), 因?yàn)樗妥匀粷B透的方向相反,故稱為反滲透。與蒸餾法相比, 反滲透法具有以下突出的優(yōu)點(diǎn):反滲透海水淡化過(guò)程不發(fā)生相變化,所以,它是最節(jié)能的海水淡化方法;設(shè)備簡(jiǎn)單,效率高;占地面積小;操作方便,控制容易;設(shè)備投資低,建設(shè)周期短。其主要缺點(diǎn)是對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求較高。自19 7 0 年后第一座反滲透法海水淡化廠建成以后, 反滲透法海水淡化技術(shù)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展, 這主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。1 . 反滲透膜的性能( 產(chǎn)水量和脫鹽率)經(jīng)過(guò)近30 年的不斷發(fā)展, 海水淡化反滲透膜的性能取得了較大的提高。目前的反滲透膜材料多采用芳香族聚酞胺,其特征水通量是19 7 8 年的3 倍, 鹽的透過(guò)率大約為19 7 8 年的四分之一。目前已開(kāi)發(fā)出具有9 .7 % 脫鹽率、產(chǎn)水量為gO0 0 gp d ( 3 4 m 3/ d ) 的商用膜元件。此外,膜的抗污染和抗氧化性能也得到了提高, 而且反滲透膜的銷售價(jià)格也不斷下降。從而大大減低了海水淡化系統(tǒng)的投資成本。2 .能量回收裝置效率反滲透海水淡化的操作壓力很高, 但回收率較低; 因此濃縮水具有較高的壓力, 流量較大,含有巨大的能量。如何高效的回收這部分能量對(duì)于減低系統(tǒng)能耗是非常重要的。目前已商業(yè)化的能量回收裝置主要有: 渦輪透平、渦輪增壓器( t u r b o C h a r g e r ) 和壓力( 功)交換器,其中渦輪透平的能量回收效率為3 5 7 0 % , 渦輪增壓器的能量回收效率為4 5 8 3 % , 而壓力( 功) 交換器的能量回收效率達(dá)到了95 %左右。壓力(功)交換器的出現(xiàn)是反滲透海水淡化技術(shù)的一個(gè)重大突破。壓力( 功) 交換器的工作原理如下: 濃鹽水經(jīng)能量回收系統(tǒng)高壓入口,把絕大部分的能量轉(zhuǎn)移到進(jìn)人能量回收系統(tǒng)內(nèi)低壓人口的海水; 受壓后的海水經(jīng)提升泵增壓后,與通過(guò)高壓泵的海水匯合后進(jìn)人反滲透系統(tǒng); 而濃鹽水則通過(guò)低壓出口排出。由于反滲透海水淡化技術(shù)的飛躍發(fā)展, 導(dǎo)致其成本大幅度下減, 其市場(chǎng)的占有率越來(lái)越大, 已逐步成為海水淡化的主流。3.3 “石墨烯篩子”淡化海水格羅斯曼等人的研究小組通過(guò)精確控制多孔石墨烯的孔徑并向其中添加其他材料的方法，改變石墨烯小孔邊緣的性質(zhì)，使其能夠排斥或吸引水分子這樣，這種特制的石墨烯就如同篩子一樣能快速地濾掉海水中的鹽，而只留下水子新工藝的關(guān)鍵是非常精確地控制石墨烯孔洞大小計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示，這種石墨烯篩子的性能非常優(yōu)秀，能夠快速地完成海水淡化過(guò)程目前海水脫鹽最常用的是反滲透技術(shù)，但反滲透膜上的小孔極為致密（是新技術(shù)中多孔石墨烯孔徑的千分之一），需要非常大的壓力迫使海水通過(guò)膜這就意味著這種新技術(shù)更加節(jié)約能源格羅斯曼說(shuō)，由于石墨烯的原材料廉價(jià)且易于獲取，這使該技術(shù)在成本上具備了天然優(yōu)勢(shì)另外，它又是已知最硬的材料，與目前所使用的反滲透膜相比更結(jié)實(shí)耐用。該方法簡(jiǎn)單有效，在成本上也遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的其他技術(shù)。3.4 太陽(yáng)能海水淡化 太陽(yáng)能海水淡化主要借助太陽(yáng)所產(chǎn)生的熱能或電力，使具有一定濃度的海水重新組合。其分類如下：一是利用太陽(yáng)所產(chǎn)生的熱能驅(qū)動(dòng)海水發(fā)生相變并進(jìn)行分離，對(duì)分離的水蒸汽進(jìn)行冷凝，產(chǎn)生淡水。此種方法又可以分為直接法和間接法：直接法是在太陽(yáng)能集熱器中將收集到的熱能用于海水淡化；間接法是將太陽(yáng)能集熱器與海水淡化系統(tǒng)分開(kāi)，海水吸收熱量蒸發(fā)，蒸汽在海水淡化系統(tǒng)中生成淡水。太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)還可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類，主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)是通過(guò)外部太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)將熱能輸入到系統(tǒng)中提高蒸餾器的蒸發(fā)作用。如果沒(méi)有外部熱能輸入的則為被動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)。主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)可以使用聚光集熱裝置，使得運(yùn)行溫度得到提高，在海水淡化系統(tǒng)中蒸汽的汽化潛熱得到了利用、回?zé)嵫b置的使用和傳熱傳質(zhì)的強(qiáng)化使得系統(tǒng)整體效率得到了提升，是目前太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)研究的重點(diǎn)方向。被動(dòng)式海水蒸餾系統(tǒng)早在1872 年由瑞典工程師Wilson 在智利北部建造使用，晴天每天可產(chǎn)淡水23 噸。二是利用太陽(yáng)能產(chǎn)生的直流電場(chǎng)使海水中的離子定向遷移，通過(guò)離子交換膜實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)和溶劑的分離，達(dá)到海水淡化的目的。也可以利用太陽(yáng)能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)或并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力驅(qū)動(dòng)高壓泵，利用反滲析原理實(shí)現(xiàn)海水淡化的目的。4 環(huán)境影響由于海水淡化業(yè)績(jī)較少而且公眾關(guān)注有限, 因此, 海水淡化對(duì)環(huán)境的影響還不為人所知。海水淡化對(duì)環(huán)境影響主要涉及濃鹽水的排放。濃鹽水濃度大約是原海水濃度的1 . 5 一2 倍, 還含有預(yù)處理中添加的各種化學(xué)藥劑,如阻垢劑、酸等。絕大多數(shù)的海水淡化廠的濃鹽水直接排回大海, 其稀釋的速度取決于排放位置的深度和潮流的流速。許多環(huán)境專家認(rèn)為濃鹽水的排放還不足以對(duì)海洋生態(tài)造成負(fù)擔(dān)。國(guó)內(nèi)海水淡化技術(shù)研究的展望對(duì)比世界先進(jìn)海水淡化技術(shù), 分析國(guó)內(nèi)海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀, 我發(fā)現(xiàn), 我國(guó)海水淡化技術(shù)要跟上國(guó)外先進(jìn)國(guó)家步伐, 要強(qiáng)化關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備制造的自主研發(fā)力度, 強(qiáng)化自主創(chuàng)新, 不斷提高技術(shù)創(chuàng)新能力, 整合技術(shù)、用戶、能源供應(yīng)商、裝備制造商和投資商資源, 促進(jìn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合, 提高我國(guó)海水淡化技術(shù)及裝備制造的整體水平。1)重點(diǎn)發(fā)展低溫多效和反滲透海水淡化技術(shù)研究, 以及與之配套的關(guān)鍵技術(shù)、材料和裝備的研發(fā)。2)發(fā)展以水電聯(lián)產(chǎn)、熱膜耦合為代表的一體化整合海水淡化技術(shù)。3)研發(fā)不同類型的小型淡化裝置, 為海島、艦船、石油平臺(tái)配套。4)研究海水淡化與新型清潔、可再生能源耦合技術(shù)及余熱利用海水淡化技術(shù)。結(jié)語(yǔ)：截止2010年底，我國(guó)海水淡化產(chǎn)能約為60伊104m3/d，到2015 年，產(chǎn)能要達(dá)到220260伊104 m3/d，即“十二五”期間，我國(guó)海水淡化產(chǎn)能要實(shí)現(xiàn)翻兩翻；同時(shí)，要加快建立和完善我國(guó)海水淡化產(chǎn)業(yè)體系，并要提高海水淡化整體水平，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。應(yīng)該說(shuō)，我國(guó)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，方向明確、任務(wù)艱巨，但也充滿希望。因此，必須按照海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體思路的要求，明確兩個(gè)定位、圍繞三個(gè)目標(biāo)、堅(jiān)持四個(gè)原則，著重建立海水淡化創(chuàng)新體系、產(chǎn)業(yè)體系、供水體系、標(biāo)準(zhǔn)體系和政策管理等體系等五個(gè)體系，在技術(shù)研發(fā)、裝備制造、工程應(yīng)用、用水保障、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和管理協(xié)調(diào)等六個(gè)領(lǐng)域推動(dòng)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展。參考文獻(xiàn)1 梁軍波1，陳 睿2 （1 中交第三航務(wù)