向71%藍色進發——漫談海水淡化技術

地球上71%的面積被海洋覆蓋，但人類生產生活所需的淡水資源卻相對匱乏。從數據來看，地球上的水總體積約有13億8600萬立方千米，海洋約佔地球總水量為96.53%，湖泊鹹水和地下鹹水佔0.94%，淡水資源只有約3500萬立方千米，只佔總水量的2.53%，再除去無法取用的冰川和高山冰冠中的水，陸地上可利用的淡水湖、地下水和河流的水量不到地球總水量的 1%。因此，對資源豐富的海水加以開發和利用，使之變成淡水，一直是人們探索的方向。

海水淡化(sea water desalination)是人類追求了幾百年的夢想，它是利用海水脫鹽工藝生產淡水，以提供飲用水和工農業用水。這可以增加淡水總量，且不受時空和氣候影響，不引入其他雜質，可保證水質優良，保障沿海居民飲用水和工農業用水，有時食用鹽也會作為副產品被生產出來，一舉兩得。

海水淡化的發展簡史及現狀

從浩瀚的海洋中去除鹽份，提取淡水，這是人類始終不渝的追求。四百年來，作為人類探索海洋的一部分，「海水淡化」這艘大船一直在航行……

15世紀末到16世紀

世界大航海時代，英國王室曾懸賞徵求經濟合算的海水淡化方法。當時歐洲探險家在漫長的航海旅行中，用船上的火爐煮沸海水后冷卻凝結，以製造淡水。這是日常生活的經驗，也是海水淡化技術的開始。1560年，世界上第一個陸基海水脫鹽工廠誕生在突尼西亞的一座海島上。1675年和1680年海水蒸餾淡化的專利在英國誕生。

17世紀

1675年和1680年海水蒸餾淡化的專利在英國誕生。

18世紀

提出了冰凍海水淡化技術。

19世紀

伴隨著蒸汽機的發明，出現了浸沒式蒸餾器；1872年，智利研發出了世界首台太陽能海水淡化裝置，日產2萬立方米淡水；1884年，英國建成第一台船用海水淡化器；1898年，俄羅斯投產了本國第一家基於多效蒸發原理的海水淡化工廠，日產淡水達到1230立方米。

20世紀早期

僅有少數幾個國家英國、美國、法國和德國掌握海水淡化設備製造技術，也只有在蒸汽輪船上和中東少數幾個港口使用到海水淡化裝備。值得稱讚的是，1920年前後，在山東省威海市劉公島上已有了一座海水淡化蒸餾塔。

20世紀50年代后

現代意義上的海水淡化技術則是在第二次世界大戰以後才發展起來的。1954年，電滲析海水淡化裝置問世。同年，世界上第一座海水淡化工廠建於美國，現在仍在得克薩斯的弗里波特運轉著。1957年，多級閃急蒸餾法海水淡化技術（MSF）揭開了海水淡化發展歷史上的新一頁。1960年，反滲透法海水淡化裝置問世。1975年，低溫多效海水淡化技術在原有多效蒸餾基礎上進行改進后，得到一定規模的推廣。20世紀80年代以來，反滲透技術不斷取得突破，使其成為耗能最低、投資運行最快的海水淡化技術，得到迅速的發展。

全球海水淡化市場分佈

目前，海水淡化產業及裝置已覆蓋沙烏地阿拉伯、以色列、義大利、希臘等中東和地中海沿岸國家、以及美國、英國、、日本和澳大利亞等世界150多個國家和地區。

其中，中東地區因水資源嚴重匱乏，同時又是石油資源富集地區，經濟實力雄厚，對海水淡化技術和裝置的迫切需求及海水淡化發展的經濟基礎使得該地區成為目前世界海水淡化裝置的主要分佈地區，僅這一地區的沙烏地、阿聯酋、科威特、卡達和巴林五國的海水淡化裝置總產水量，就佔到全球總量的44.3%。

在有些波斯灣沿岸國家，海水淡化量已佔本國淡水使用量的80%～90%。與之形成對比的是，全球第一個現代海水淡化工廠的誕生地美國的海水淡化總量僅佔到全球的15%，而技術相對發達的歐洲，佔比也僅為12%。

目前的數據顯示，沙烏地仍然是全球第一大淡化海水生產國，其產量約佔全球總產量的18%。2015年，以色列70%的水來自海水淡化，還產生了全球知名的海水淡化公司IDE。

海水淡化技術的發展歷程

1920年前後，在山東省威海市劉公島上已有了一座海水淡化蒸餾塔。但海水淡化研究則最早於1958年。

1958年，國家海洋局第二海洋研究所首先在開展離子交換膜電滲析海水淡化的研究；

1965年山東海洋學院在國內最先進行反滲透CA不對稱膜的研究；

1970年，海水淡化會戰主力彙集杭州，組織了全國第一個海水淡化研究室；

1981年第一個日產200噸的電滲析海水淡化站在西沙群島建成；

1982年，海水淡化與水再利用學會經中科協學會部批准在杭州水處理技術研究開發中心成立；

1984年，國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所成立，開始蒸餾法海水淡化裝置研究；

1985年1月16日，第一座海水淡化工廠在西沙群島永興島建成投產。

1987年，大港電廠從美國引進2套3000m3/d MSF海水淡化裝置，與離子交換法結合，解決鍋爐補給水的供應；

1997年，第一套500m3/d反滲透海水淡化裝置在浙江舟山嵊山縣投產建成，開創了國內海水淡化規模化應用的歷史先河；

2000年，河北滄州建設18000m3/d反滲透苦鹹水淡化廠；

2003年，山東榮成建成萬噸級反滲透海水淡化示範工程；同年，河北黃燁發電廠引進20000m3/d多效蒸餾海水淡化裝置；

2004年，首台自主知識產權的3000m3/d低溫多效蒸餾海水淡化工程在山東黃島；

2005年，《海水利用專項規劃》作為第一個指導性綱領文件正式發布。

…………

海水淡化的工藝和方法

一個大型的海水淡化項目往往是一個非常複雜的系統工程。單就工藝過程來說，包括海水預處理、淡化(脫鹽)、淡化水后處理等。其中預處理是指在海水進入起淡化功能的裝置之前對其所作的必要處理，如殺除海生物，降低濁度、除掉懸浮物(對反滲透法)，或脫氣(對蒸餾法)，添加必要的藥劑等。

淡化（脫鹽）則是通過某一種或某幾種方法結合除掉海水中的鹽分，是整個工藝過程的核心部分。常用的脫鹽方法有：

四百年前，歐洲航海家在海上，就是利用這種方法獲得飲用水。將海水煮沸，再將水蒸氣冷凝為液態淡水。這就如同海水受熱蒸發上升，形成雲，雲在高空遇冷形成雨，而雨是不帶鹹味的。蒸餾法雖然是一種古老的方法，但由於技術不斷地改進與發展，該法至今仍占重要地位。

即冷凍海水使之結冰，海水結冰時，其中的水凍結，而將其中的鹽分排析出來，這就達到了鹽水分離的目的。冰再次解凍后，就是淡水。

冷凍法海水淡化的傳統方法有直接接觸法、真空法和間接法。工藝主要包括冰晶的形成、洗滌、分離、融化等過程。如果能將LNG冷能利用與傳統的冷凍法海水淡化工藝相結合，則能降低裝置電耗，簡化工藝流程，使冷凍法海水淡化技術呈現新的活力。

蒸餾法與冷凍法都有弊端，蒸餾法會消耗大量的能源並在儀器里產生大量的鍋垢，而所得到的淡水卻並不多；而冷凍法同樣要消耗能源，得到的淡水味道卻不佳，這是因為還有部分來不及流走的鹽分留在冰中，以滷汁的形式被包圍在冰晶之間的空隙里形成「鹽泡」，因此得到的淡水不存。

人們對它的應用有了近150年的歷史，此法是利用太陽能集熱器對海水進行蒸餾，由於結構簡單、取材方便，至今仍被廣泛採用。太陽能海水淡化技術安全、環保，不消耗常規能源、無污染、所得淡水純度高，是一種可持續發展的海水淡化技術。

此法是先將海水提取上來進行降低海水濁度的初步處理后，利用高壓將海水壓入反滲透膜，降低含鹽量，得到淡水。

滲透現象在自然界是常見的，水分子通常由濃度低向濃度高處流動。比如將一根黃瓜放入鹽水中，黃瓜就會因失水而變小。黃瓜中的水分子進入鹽水溶液的過程就是滲透過程。但如果在鹽水端液面上施加一定壓力（超過滲透壓），此時，水分子就會由鹽水端（高濃度）向純水端（低濃度）遷移，這就是反滲透。

反滲透法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質透過的半透膜，將海水中的鹽分和水分子分隔開的。反滲透法的最大優點是節能。它的能耗僅為電滲析法的1/2，蒸餾法的1/40。

多效蒸餾是讓加熱后的海水在一系列水平管噴淋降膜蒸發器中，用一定量的蒸汽輸入通過多次蒸發，最終冷凝成為淡水。。因為前一個蒸發器蒸發出來的蒸汽作為下一蒸發器的熱源，所以低溫多效蒸餾是蒸餾法中最節能的方法之一。

低溫多效蒸餾技術由於節能的因素，近年發展迅速，裝置的規模日益擴大，成本日益降低，主要發展趨勢為提高裝置單機造水能力，採用廉價材料降低工程造價，提高操作溫度，提高傳熱效率等。

所謂閃蒸，是指一定溫度的海水在壓力突然降低的條件下，部分海水急驟蒸發的現象。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，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，主要與火電站聯合建設，適合於大型和超大型淡化裝置，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製。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於化工、醫藥、食品等行業的濃縮、分離與提純。

壓汽蒸餾海水淡化技術，是海水預熱后，進入蒸發器並在蒸發器內部分蒸發。所產生的二次蒸汽經壓縮機壓縮提高壓力后引入到蒸發器的加熱側。蒸汽冷凝後作為產品水引出，如此實現熱能的循環利用。

露點蒸發淡化技術是一種新的苦鹹水和海水淡化方法。它基於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。

水電聯產主要是指海水淡化水和電力聯產聯供。由於海水淡化成本在很大程度上取決於消耗電力和蒸汽的成本，水電聯產可以利用電廠的蒸汽和電力為海水淡化裝置提供動力，從而實現能源高效利用和降低海水淡化成本。

國外大部分海水淡化廠都是和發電廠建在一起的，這是當前大型海水淡化工程的主要建設模式。

熱膜聯產主要是採用熱法和膜法海水淡化相結合的方式，滿足不同用水需求，降低海水淡化成本。熱法和膜法相結合，常用的是多效蒸餾-反滲透（MED-RO）或多級閃蒸-反滲透（MSF-RO）。RO和MED/MSF裝置淡化產品水可以按一定比例混合滿足各種各樣的需求。其優點是：投資成本低，可共用海水取水口。

目前，世界上最大的熱膜聯產海水淡化廠是阿聯酋富查伊拉海水淡化廠，日產海水淡化水量為45.4萬立方米，其中，MSF日產水28.4萬立方米，RO日產水17萬立方米。

此外，以上方法的其他組合也日益受到重視。在實際選用中，究竟哪種方法最好，也不是絕對的，要根據規模大小、能源費用、海水水質、氣候條件以及技術與安全性等實際條件而定。

淡化（脫鹽）過程除要求高效脫鹽外，往往需要解決設備的防腐與防垢問題，有些工藝中還要求有相應的能量回收措施。

淡化水后處理則是對不同淡化方法所獲得的淡水，針對不同的用戶要求所進行的水質調控和貯運等處理。海水淡化過程無論採用哪種淡化方法，都存在著能量的優化利用與回收，設備防垢和防腐，以及濃鹽水的正確排放等問題。

海水淡化技術的發展與工業應用，已有半個世紀的歷史，在此期間形成了以多級閃蒸、反滲透和多效蒸發為主要代表的工業技術。專家普遍認為，今後三、四十年在工業應用上，仍將是這三項技術「唱主角」，但反滲透的比重將越來越大。

從地區上來講，中東海灣國家仍將以多級閃蒸為首選，因為它具有大型化和超大型化(單台設備產水量目前已高達日產淡水4～5萬噸)、適應於污染重的海灣水以及預處理費用低的優勢。

然而在中東以外地區將以反滲透或膜法為首選，因為膜法的能耗和成本都具有優勢，以北美地區為例，海水淡化和水處理方面都以膜法為主。

海水淡化技術主要以反滲透和低溫多效蒸發為主。

近些年海水淡化前沿技術

01

通過分子模擬，離子在較窄的碳納米管中遇到較大的能壘而不能通過，而水則沒有遇到這樣的能壘可順利通過，所以從理論上看來，碳納米管似乎非常適合應用於海水淡化領域。科學家們一直期待可以通過碳納米管製備得到的複合膜來降低海水淡化成本。但實際操作中卻並非如此，問題就在於如果碳納米管足夠窄，則水中的鹽分被阻擋不能通過，而這些管道也可能被水中的離子阻塞而導致水也無法通過，說明分子模擬對於離子和碳納米管之間相互作用的描述並不充分。

上海應用物理研究所研究人員經過探索，改造了碳納米的結構，防止碳納米管被阻塞。經改造的碳納米管的水通過率可以達到40%左右。研究人員還在研究，想通過向碳納米管施加一個強大的電場可以把離子移位，避開狹窄管道讓水分子順利通過。

2015年，美國加州大學默塞德分校太陽能技術研究所的研發人員開發出了一種名為XCPC的外置複合型拋物面形聚光器，該系統的主要創新點，在於外置複合拋物面形聚光器可以通過收集陽光產生高溫，而且可達到的溫度要遠遠高於生產水蒸汽所需要的溫度。同時很關鍵的一點是，集熱器不需要使用跟蹤系統，沒有任何需要活動的組件。事實上，其它大部分可以獲得如此高溫的太陽能技術都需要使用跟蹤系統，一般使用跟蹤系統的太陽能集熱器對於直射陽光要求很高，而且往往需要在晴朗的天氣條件下才能運行，這樣導致成本較大。而XCPC集熱器則完全不同，在朦朧和多雲的天氣條件下依然可以正常運行。

03

美國伊利諾伊州立大學研究人員發現二硫化鉬高能材料可更高效地去除海水中的鹽分，通過計算機模擬各種薄膜的海水淡化效率並進行對比后發現，二硫化鉬薄膜的效率最高，比石墨烯膜還要高出70%。這種材料只有一個納米厚，布滿了納米孔，能夠滲漏大量的海水，留下鹽分和其他成分，達到淡化海水的目的。獨特的原子組成結構讓二硫化鉬膜的透水性大大提升，其單層膜的厚度能極大地減少推壓水的能量，進而大幅降低運營成本。研究人員目前正在測試這種材料在海水凈化方面的其他性能，比如對於塑料膜而言常發生的污垢堵塞孔洞等問題。

二硫化鉬雖然是一種新材料，但研究人員相信，製造工藝改造后，其高性能帶來的應用會很廣泛。這項研究俄也為下一代材料的發展奠定了基礎。

04

2015年9月，來自埃及亞歷山大大學的研究人員公布了一種新型低成本的海水淡化膜技術，膜材料價格低廉，同時可以實現低能耗。該技術採用了滲透蒸發(又稱滲透汽化，是有相變的膜滲透過程)的技術原理，研究人員開發出醋酸纖維素膜與其它組件相結合，並使用外部熱源將膜透過組分汽化，從而達到過濾粒子和鹽分的目的。該技術不僅能淡化海水，也能去除海水中的污物。價格低廉低能耗的海水淡化技術，對那些資金匱乏的發展家的福音。

05

2015年，印度科學理工學院研究人員研發出一種太陽能混合海水淡化系統。根據研究人員發布的數據顯示，溫度為27℃的條件下，利用該混合系統每平方米可以凈化大約6.5升的鹽水。該混合系統採用了階梯狀的太陽能蒸發器，由一個連一個的半圓形的管道焊接而成，形成一個呈一定傾斜角度的水槽來充當水流通的渠道，同時系統四周安裝的真空夾套可以減少熱能的損失。據了解，該裝置可容納3-4升待處理的水。該系統利用光伏電池作為能源將水泵進或者泵出整個系統，整個系統就在離網地區也可以實現正常運行。

06

由GE全球研發中心和美國能源部組成的研究團隊研發的一種手持式3D列印設備，利用蒸汽汽輪機的原理，有可能使海水淡化變得更為方便，這一概念來自GE科學家的創意。

在傳統的蒸汽渦輪機中，蒸汽凝結會變成水。這種系統通常用於發電，但還可以運行這個流動系統去凍結海水或鹽水，而不是把它變成蒸汽。通過凍結混合物，鹽會以固體的形式自然分離，只留下冰，而冰融化之後就成了乾淨的水。這就是冷凍法海水淡化技術的原理。GE全球研發中心科研人員在冷凍法海水淡化技術上標新立異，利用葉輪機械開發一種十分經濟的解決方案——渦輪「增壓」海水淡化系統。

該系統通過擴大渦輪機的冷氣來冷卻鹹水或海水滴，這大大降低海水淡化所需要的能源。冷卻的氣體與海水之間的熱傳遞比傳統的熱法海水淡化系統更有效率。如果這個手持的3D列印工具能夠試製成功，它能夠將海水淡化的成本削減高達20%。反過來也將吸引更多的資金被投向海水淡化設備。為加速開發過程，研究團隊使用由GE全球研究中心和GE航空材料製造中心開發的技術，列印出3D小型化的部件。也許在不久的將來，我們到海灘上度假，只需這種手持式的工具就行了，隨取隨用，無需再儲運桶（瓶）裝水。

大自然給予了豐富的海水資源，以海水淡化為代表的海水利用正成為各地解決沿海水資源短缺的重要途徑，前景十分廣闊。

截至目前，世界上已有120多個國家的科研機構在進行著海水淡化的研究，並運用海水淡化技術獲取淡水，全球有海水淡化廠1.3萬多座，日常量可達到6000萬立方米左右，其中有80%用於飲用水，相當於0.5%的全球用水量，解決了1億多人的用水問題。海水淡化行業也正處於規模化應用的關鍵時期，已在沿海多地建成多個海水淡化項目，主要用於工業和生活用水。特別是自主研發的低溫多效蒸餾海水淡化技術與反滲透海水淡化技術已成功應用於日產萬噸級海水淡化工程，多套海水淡化裝置出口海外。

隨著海水利用技術和關鍵設備的不斷進步，海水利用的成本會大大降低。越來越重視包括海水淡化在內的海洋經濟發展。2016年底，隨著國家發展改革委和國家海洋局共同印發的《全國海水利用「十三五」規劃》公布，海水淡化瞬間站上風口，引發市場高度關注。其中提出，截至2020年，海水利用將實現規模化應用，材料和關鍵裝備實現產品系列化，產業鏈條日趨完備。也許在不久的將來，我們每天飲用和洗衣用到的自來水就是海水「變」來的。

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主辦：工業水處理雜誌社 化工學會工業水處理專業委員會

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