《海水淡化技術(shù)簡(jiǎn)介與展望》.doc

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“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、無污染、水質(zhì)好。投資費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)成本過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, 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)期以來自來水的價(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, 在不久的將來, 一方面海水淡化成本不斷降低,另一方面自來水的價(jià)格不斷上漲, 兩者將越來越接近,海水淡化的成本問題將得以徹底解決,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)惡化開采地下水限制開采量遠(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，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, 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,過程效率高;設(shè)備可靠, 可長(zhǎng)期無故障運(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)展起來的一項(xiàng)水處理技術(shù)。它的基本原理是: 當(dāng)含鹽水通過電滲析時(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半透膜而分離出來, 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, 鹽的透過率大約為19 7 8 年的四分之一。目前已開發(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膜這就意味著這種新技術(shù)更加節(jié)約能源格羅斯曼說，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，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，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)