[科普中國]-海水淡化技術

海水淡化處理技術是指將水中的多余鹽分和礦物質去除得到淡水的工序。目前，世界上裝機應用的海水淡化膜方法主要有多級閃蒸(MSF)、多效蒸發(fā)(MED)和反滲透法(RO)，半個世紀以來己養(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)達國家沿海經濟和社會發(fā)展。1

簡介海水淡化技術，海水由于其含鹽量非常高，而不能被直接使用，主要采用兩種方法淡化海水，即蒸餾法和反滲透法。蒸餾法主要被用于特大型海水淡化處理上及熱能豐富的地方。反滲透膜法適用面非常的廣，且脫鹽率很高，因此被廣泛使用。反滲透膜法首先是將海水提取上來，進行初步處理，降低海水濁度，防止細菌、藻類等微生物的生長，然后用特種高壓泵增壓，使海水進入反滲透膜，由于海水含鹽量高，因此海水反滲透膜必須具有高脫鹽率，耐腐蝕、耐高壓、抗污染等特點，經過反滲透膜處理后的海水，其含鹽量大大降低，TDS含量從36000毫克/升降至200毫克/升左右。淡化后的水質甚至優(yōu)于自來水，這樣就可供工業(yè)、商業(yè)、居民及船舶、艦艇使用。1

主要類型全球海水淡化技術超過20 余種，包括反滲透法、低多效、多級閃蒸、電滲析法、壓汽蒸餾、露點蒸發(fā)法、水電聯(lián)產、熱膜聯(lián)產以及利用核能、太陽能、風能、潮汐能海水淡化技術等等，以及微濾、超濾、納濾等多項預處理和后處理工藝。

從大的分類來看，主要分為蒸餾法(熱法)和膜法兩大類，其中低多效蒸餾法、多級閃蒸法和反滲透膜法是全球主流技術。一般而言，低多效具有節(jié)能、海水預處理要求低、淡化水品質高等優(yōu)點;反滲透膜法具有投資低、能耗低等優(yōu)點，但海水預處理要求高;多級閃蒸法具有技術成熟、運行可靠、裝置產量大等優(yōu)點，但能耗偏高。一般認為，低多效蒸餾法和反滲透膜法是未來方向。預計“十二五”期間，我國海水淡化將達到150萬-200萬噸/日，是現(xiàn)有產能的三、四倍，投資規(guī)模將達到200億元左右。

冷凍海水淡化法原理：海水三相點是使海水汽、液、固三相共存并達到平衡的一個特殊點。若壓力或溫度偏離該三相點，平衡被破壞，三相會自動趨于一相或兩相。真空冷凍法海水淡化正是利用海水的三相點原理，以水自身為制冷劑，使海水同時蒸發(fā)與結冰，冰晶再經分離、洗滌而得到淡化水的一種低成本的淡化方法。與蒸餾法、膜海水淡化法相比，冷凍海水淡化法能耗低，腐蝕、結垢輕，預處理簡單，設備投資小，并可處理高含鹽量的海水，是一種較理想的海水淡化法。

冷凍法冷凍法，即冷凍海水使之結冰，在液態(tài)海水變成固態(tài)冰的同時鹽被分離出去。冷凍法與蒸餾法都有難以克服的弊端，其中蒸餾法會消耗大量的能源并在儀器里產生大量的鍋垢，而所得到的淡水卻并不多；而冷凍法同樣要消耗許多能源，但得到的淡水味道卻不佳，難以使用。

冷凍海水淡化法工藝之預冷 海水脫氣后可與蒸發(fā)結晶器內排出的濃鹽水和淡化水產生熱交換，預冷至海水的冰點附近。冷凍海水淡化法工藝之脫氣 由于海水中溶有的不凝性氣體在低壓條件下將幾乎全部釋放,且又不會在冷凝器內冷凝。這將升高系統(tǒng)的壓力，使蒸發(fā)結晶器內壓力高于二相點壓力，破壞操作的進行。顯然減壓脫氣法適合本系統(tǒng)。

蒸餾法淡化法是影響海水蒸發(fā)與結冰速率的主要因素。

海水淡化法工藝之冰—鹽水是一固液系統(tǒng) 普通的分離方法均可使冰—鹽水得到分離，但分離方法不同，得到的冰晶含鹽量也不同。實驗結果表明減壓過濾方法得到的冰晶含鹽量比常壓過濾方法得到的冰晶含鹽量低得多。海水淡化法工藝之蒸汽冷凝 在蒸發(fā)結晶器內，除海水析出冰晶以外，還將產生大量的蒸汽，這些蒸汽必須及時移走，才能使海水不斷蒸發(fā)與結冰。

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、不允許溶質透過的半透膜，將海水與淡水分隔開的。在通常情況下，淡水通過半透膜擴散到海水一側，從而使海水一側的液面逐漸升高，直至一定的高度才停止，這個過程為滲透。此時，海水一側高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對海水一側施加一大于海水滲透壓的外壓，那么海水中的純水將反滲透到淡水中。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。因此，從1974年起，美日等發(fā)達國家先后把發(fā)展重心轉向反滲透法。

反滲透海水淡化技術發(fā)展很快，工程造價和運行成本持續(xù)降低，主要發(fā)展趨勢為降低反滲透膜的操作壓力，提高反滲透系統(tǒng)回收率，廉價高效預處理技術，增強系統(tǒng)抗污染能力等。

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一般都稱為太陽能蒸餾器。蒸餾系統(tǒng)被動式太陽能蒸餾系統(tǒng)的例子就是盤式太陽能蒸餾器，人們對它的應用有了近150年的歷史。由于它結構簡單、取材方便，至今仍被廣泛采用。對盤式太陽能蒸餾器的研究主要集中于材料的選取、各種熱性能的改善以及將它與各類太陽能集熱器配合使用上。與傳統(tǒng)動力源和熱源相比，太陽能具有安全、環(huán)保等優(yōu)點，將太陽能采集與脫鹽工藝兩個系統(tǒng)結合是一種可持續(xù)發(fā)展的海水淡化技術。太陽能海水淡化技術由于不消耗常規(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。太陽能蒸餾法就是采用簡單的太陽能蒸餾器。該蒸餾器由一個水槽組成，水槽內有一個黑色多孔的氈心浮洞，槽頂上蓋有一塊透明、邊緣封閉的玻璃覆蓋層。太陽光穿過透明的覆蓋層投射到黑色絕熱的槽底，轉換為熱能。因此，塑料芯中的水面溫度總是高于透明覆蓋層底的溫度，水從氈芯蒸發(fā)，蒸汽擴散到覆蓋層上冷卻為液體，排入不透明的蒸餾槽中。

低溫蒸餾低溫多效海水淡化技術是指鹽水的最高蒸發(fā)溫度低于70℃的蒸餾淡化技術，其特征是將一系列的水平管噴淋降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來，用一定量的蒸汽輸入首效，后面一效的蒸發(fā)溫度均低于前面一效，然后通過多次的蒸發(fā)和冷凝，從而得到多倍于蒸汽量的蒸餾水的淡化過程。

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。低溫多效蒸餾技術由于節(jié)能的因素，發(fā)展迅速，裝置的規(guī)模日益擴大，成本日益降低，主要發(fā)展趨勢為提高首效溫度，提高裝置單機造水能力；采用廉價材料降低工程造價，提高操作溫度，提高傳熱效率等。一種低溫多效蒸餾法海水淡化設備，包括供汽系統(tǒng)、布水系統(tǒng)、蒸發(fā)器、淡水箱及濃水箱，供汽系統(tǒng)的生蒸汽入口置于中間效蒸發(fā)器上。工作方法為：（1）布水系統(tǒng)對海水進行噴淋；（2）輸入生蒸汽到中間效蒸發(fā)器的蒸發(fā)管內部；（3）蒸汽在蒸發(fā)管內冷凝傳出熱量，蒸發(fā)管外吸收熱量產生蒸發(fā)；（4）新蒸汽輸送至其兩側的蒸發(fā)管內.管外吸收熱量、產生蒸發(fā)；（6）各效蒸發(fā)器重復蒸發(fā)和冷凝過程；（7）蒸餾水進入淡水箱；（8）濃鹽水進入濃水箱。

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。多級閃蒸海水淡化是將經過加熱的海水，依次在多個壓力逐漸降低的閃蒸室中進行蒸發(fā)，將蒸汽冷凝而得到淡水。目前全球海水淡化裝置仍以多級閃蒸方法產量最大，技術最成熟，運行安全性高彈性大，主要與火電站聯(lián)合建設，適合于大型和超大型淡化裝置，主要在海灣國家采用。多級閃蒸技術成熟、運行可靠，主要發(fā)展趨勢為提高裝置單機造水能力，降低單位電力消耗，提高傳熱效率等。

電滲析法該法的技術關鍵是新型離子交換膜的研制。離子交換膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片，按其選擇透過性區(qū)分為正離子交換膜（陽膜）與負離子交換膜（陰膜）。電滲析法是將具有選擇透過性的陽膜與陰膜交替排列，組成多個相互獨立的隔室海水被淡化，而相鄰隔室海水濃縮，淡水與濃縮水得以分離。電滲析法不僅可以淡化海水，也可以作為水質處理的手段，為污水再利用作出貢獻。此外，這種方法也越來越多地應用于化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的濃縮、分離與提純。

壓汽蒸餾蒸餾法是通過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是最早投人工業(yè)化應用的淡化技術，特點是即使在污染嚴重、高生物活性的海水環(huán)境中也適用，產水純度高。與膜法海水淡化技術相比，蒸餾法具有可利用電廠和其他工廠的低品位熱、對原料海水水質要求低、裝置的生產能力大，是當前海水淡化的主流技術之一。

露點蒸發(fā)露點蒸發(fā)淡化技術是一種新的苦咸水和海水淡化方法。它基于載氣增濕和去濕的原理，同時回收冷凝去濕的熱量，傳熱效率受混合氣側的傳熱控制。露點蒸發(fā)淡化技術是以空氣為載體,通過用海水或苦咸水對其增濕和去濕來制得淡水,并通過熱傳遞將去濕過程與增濕過程耦合,使冷凝潛熱直接傳遞到蒸發(fā)室,為蒸發(fā)鹽水提供汽化潛熱,以提高過程的熱效率。建立了有效傳熱面積分別為9.6 m~2和2.75 m~2的兩臺增濕/去濕耦合的露點蒸發(fā)淡化設備。建立了相應的實驗裝置和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。分別成功地完成了露點蒸發(fā)淡化基本流程與參數(shù)相關性實驗以及強化傳熱/傳質淡化實驗。

真空冷真空冷凍海水淡化法工藝包括脫氣、預冷、蒸發(fā)結晶、冰晶洗滌、蒸汽冷凝等步驟，海水淡化水產品可達到國家飲用水標準，是一種較理想的海水淡化法。

新吸附法非加壓滲透吸附：非加壓吸附滲透海水淡化法，或稱為“正向滲透法”，讓水通過多孔膜進入一種超強吸水的吸附劑的鹽濃度甚至超過海水的溶液或固態(tài)物，但溶液里的特殊鹽分很容易蒸發(fā)。分固態(tài)鹽、液態(tài)鹽方向。固態(tài)鹽解吸附耗能更小。

另外兩種方法都在薄膜結構上有了創(chuàng)新和改進碳納米管薄膜，是一種用碳納米管來做薄膜的小孔，另一種滲透用的薄膜。蛋白質膜，是薄膜的孔用引導水分子通過活細胞的細胞膜的蛋白質來構成。1

具體步驟預處理無論是海水淡化，還是苦咸水脫鹽，給水預處理是保證反滲透系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的關鍵。在制定海水預處理方案時應充分考慮到：海水中存在大量微生物、細菌和藻類。海水中細菌、藻類的繁殖和微生物的生長不僅會給取水設施帶來許多麻煩，而且會直接影響海水淡化設備及工藝管道的正常運轉。周期性漲潮、退潮，海水中夾帶大量泥沙，濁度變化較大，易造成海水預處理系統(tǒng)運轉不穩(wěn)定。海水具有較大腐蝕性，對系統(tǒng)中所采用的設備、閥門、管道件的材質要作一定篩選，耐腐性能要好。

殺菌滅藻國外海水淡化工程多采用投加液氯、NaCl和CuSO4等化學試劑來殺菌滅藻?？紤]到交通等多方面的因素，投加化學試劑殺菌滅藻有一定難度，在本工程設備研制過程中專門采用海水次氯酸鈉發(fā)生器。海水取水泵后分出一小股帶壓海水，進入次氯酸鈉發(fā)生器，在直流電場作用下產生NaCl，靠位差直接注入海灘沉井，以殺滅海水中的細菌、藻類和微生物。

由于海水硬度高 海水直接電解必須克服發(fā)生電極結垢問題。在研制過程中 ，借鑒了電滲析頻繁倒極 （EDR ）技術，即每隔 5～ 10m in倒換一次電極極性，有效地解決了次氯酸鈉發(fā)生器結垢沉淀問題。

混凝過濾混凝過濾旨在去除海水中膠體、懸浮雜質，降低濁度。在反滲透膜分離工程中通常用污染指數(shù) （FI）來計量，要求進入反滲透設備的給水的FI值