海水淡化工艺装备研发现状

王世明，刘 银

（上海海洋大学工程学院，上海 201306）

地球表面积约为5.1亿km2，其中海洋面积就占了70.8%，全球水的总储量为14.5亿km3，海水占97.5%，而余下的2.5%的淡水中又有87%是人类难以利用的两极冰盖、冰川和冰雪，因而实际可利用淡水只占全球水总量的0.32%。进入21世纪以来，全球淡水消耗量增加了7倍，约有14亿人缺乏安全清洁饮用水。淡水资源的紧缺使人类纷纷将目光投向大海。

淡化海水是通过脱除海水中的大部分盐类，使处理后的海水达到生活和生产用水标准的水处理技术。因其生产淡水不受时空和气候的影响，加之海水取用方便、用之不竭，从而成为开源节流、解决淡水紧缺的重要途径。

现行的海水淡化技术按照是否存在相变过程可分为有相变、非相变和混合[1,2]，相变法包括蒸馏法、冷冻法、气体水化物法等；非相变主要指膜法。目前海水淡化技术超过20种，包括反渗透、低温多效蒸馏、多级闪蒸、电渗析、压汽蒸馏、露点蒸发、水电联产、热膜联产。在能源方面，除利用化石燃料外，还研发了核能[3]、太阳能[4]、风能[5]、潮汐能、波浪能等可再生能源海水淡化技术。在前、后处理方法方面，微滤、超滤、纳滤等多项预处理和后处理工艺已得到工程利用。

1 三种大型商业海水淡化工艺

1.1 反渗透（RO）

渗透是指淡水通过半透膜扩散到海水一侧，使其液面逐渐升高，直至一定的高度才停止，这个过程是自发的。此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压,如果对海水一侧施加大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中，此即反渗透[6]。

反渗透技术的最大优点是节能。从1974年起，美、日等国先后把发展重心转向反渗透法。进入21世纪，RO取代了多级闪蒸（MSF）成为海水淡化市场的主力，RO电耗量降到3.9 kWh/t，单机容量达到9 500 m3/d。渗透膜是反渗透技术的主要部件，随着膜技术日趋成熟，海水反渗透膜脱盐率已到99.6%，成本也逐步降低。目前国际标准膜元件有Filmtec、Hydranautics、Osmonics、Koch、Toray、CSM、Vontron、BDX等多种。

我国反渗透历史可追溯至1965年，当时山东海洋学院最先进行了反渗透CA不对称膜的研究，1997年国家海洋局在浙江舟山建造了500 m3/d反渗透示范工程，1998年在大连长兴岛建了2×500 t/d工程，以上工程均采用进口膜组件。2004年我国完成了反渗透复合膜器生产线，并提高了平板膜生产和卷式膜原件生产设备的性能和公司水平，可生产纳滤膜、超滤膜、微滤膜等18个品种和膜组器。2007年10月由国内设计的单机1万m3/d的反渗透海水淡化工程建成投产，在单机规模方面接近国际先进水平。2010年3月开工的青岛百发海水淡化工程是目前国内最大的反渗透工程，产量为10万m3/d。

1.2 多级闪蒸（MSF）

闪蒸是将工质送入压力较低的容器，工质突然处于极不稳定的过热状态，产生非平衡温度势差，工质瞬即发生闪急蒸馏的现象[7]。将多个闪蒸室串联起来可组成多级闪蒸系统如图1所示。经过澄清和加氯消毒处理的海水，首先送入排热段作为冷却水，离开排热段的大部分冷却海水又排回海中，小部分作为进料海水（补充海水），经预处理后，从排热段末级闪蒸室流入第一级闪蒸室，逐级降压，海水逐级降温，连续产出淡化水。在多级闪蒸系统中，过程进行的充分程度取决于闪蒸盐水在闪蒸室的滞留时间和流动状态，闪蒸压降（温降）的大小主要取决于预热器的传热面积和传热性能。多级闪蒸的造水比是所得淡水的重量与所耗加热蒸汽的重量之比，通常大型装置的造水比较高。

图1 多级闪蒸系统示意图Fig.1 Schematic Diagram of Multi-Stage Flash

多级闪蒸技术是中东国家进行海水淡化的主要方式，发展至今已有60多年历史。1957年英国人SILVER发明了多级闪蒸海水淡化方法，因其在降低能耗和防垢方面的独特优越性而迅猛发展，成为脱盐技术的主力。世界上单机容量最大的MSF装置在阿布扎比的Taweelah B站，产量达到57 500 m3/d，总生产规模为32.4万m3/d[8]；世界上最大的MSF厂是沙特阿拉伯的Shuaiba海水淡化厂，总规模46万 m3/d。

我国在上世纪70年代由天津海水淡化研究所开发过100 t/d的装置，1997年上海704所为塔里木东部高浓度苦咸水开发了30 t/d闪蒸器，1998年华北电力大学负责设计的3 000 t/d的12级原型中间实验装置成功试运行168 h。

1.3 多效蒸馏（MED）

多效蒸馏是让加热后的海水在多个串联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源，并冷凝成为淡水。20世纪70年代开发了低温多效蒸馏（LT-MED）技术，如图2所示。其基本原理：海水自循环水泵出口引出，经凝聚、澄清、脱气并加入阻垢剂后，进入热回收段最低温度组中，经液体分布器喷淋到各蒸发器的顶排管上，在自上而下以薄膜形式流动的过程中，部分液体因吸热而汽化，被浓缩的海水进入蒸发器的下一组中，在新的一组中重复蒸发和喷淋过程[9]。

目前最大的低温多效淡化装置位于以色列的ASHDOD电厂，制水规模为11.9万m3/d，单机日产淡水1.7万m3/d。以色列IDE公司生产的低温多效产品系列中最大单机容量达到21 000 t/d的规模。

图2 低温多效蒸馏系统示意图Fig.2 Schematic Diagram of Low－Temperature Multi－Effect Distillation

2004 年我国首台具有自主知识产权的3 000 m3/d低温多效海水淡化装置在山东黄岛电厂投入运行，2006年4月由法国Sidem公司引进装置产能达到2万m3/d。同年12月法国Weir公司设计、国内为主制造的1万m3/d装置在天津投产。首钢公司和天津北疆电厂通过引进关键设备，其低温多效工程规模分别为5万[10]和10万m3/d。

2 海水淡化新工艺

2.1 电容去离子脱盐（CDI）

电容去离子脱盐技术是利用双电层原理，通过施加静电场强制离子向带有反电荷的电极处移动。该技术由大连理工大学邱介山团队取得创新性突破，仅需要1～2 V的操作电压，脱盐过程没有化学反应，也无需化学试剂再生，不会产生环境污染[11]。

2.2 迅速喷雾蒸发（RES）

迅速喷雾技术采用了水雾蒸发速度更快的原理，其效率可达到传统蒸发海水淡化的3倍，1 000 L淡水的成本约$0.5，并克服了传统蒸发法中盐分和污垢固结于热壁而难以脱落的弊端。这种设备可大可小，便携式的新设备每天能处理1.1万L水。其微观机理：含盐的水通过高压喷雾器喷入蒸发室，瞬间形成细小的水滴；在蒸发室的热环境中，水滴迅速蒸发，水和盐分等杂质分离；水蒸气向上升腾进入冷凝管道成为纯水，而盐分则落在蒸发室的底部[12]。

2.3 正渗透（FO）[13]

正渗透是一种不需外部压力，在渗透压作用下，水自发地从低渗透压侧流向高渗透压侧的膜分离过程。在半透膜两侧分别放海水和汲取液，汲取液中溶质与水分离后便得到淡水[14]。合适的FO膜和高渗透压的汲取液可以提高正渗透的效率，汲取液也必须满足惰性、稳定、接近中性、无毒、廉价、易溶，能提供较高渗透压，不损毁半透膜等条件。

2.4 分子震动脱盐

分子震动脱盐是一种低成本、高效率的海水淡化新技术，其过程：海水首先进入结晶装置中，再施加高频电压，海水中钠离子和氯离子会发生化合而形成细微食盐晶体，并逐渐增长为1 μm左右的粒子，这些粒子逐渐生长变大而形成容易被过滤掉的盐粒。该方法效率是反渗透的3倍，海水利用程度高达95%，不需使用药剂而且成本低，其盐分浓度为0.067%左右，氯化镁等矿物质含量是正常海水的一半，可以成为理想的饮用水。

2.5 石墨烯筛盐[15]

石墨烯筛盐海水淡化方法通过精确控制多孔石墨烯的孔径并添加其他材料，改变孔边缘的性质，使其如筛子一样滤掉海水中的盐从而获得淡水。石墨烯孔比反渗透膜孔稀疏得多而不需要增压设备，从而极大降低了海水淡化的能耗，并且石墨烯的原材料廉价且易于获取，但是其孔径的纳米级精确控制对滤材的生产制备提出了很高的要求，是该技术的核心。

3 海水淡化工艺存在的问题

3.1 能耗及产水成本

从海水淡化技术问世至今，随着对脱盐认识的深入、设计操作经验的累积以及生产制造设备水平的提高，各种能耗及产品成本都有所降低。但是海水淡化大部分情况下仍旧是能量密集型产业，能耗高。同时，海水淡化技术只有在较大规模下才能具有价格优势，这也限制了很多中小企业的发展。

3.2 结垢

由于海水中含有大量的钙和硫酸离子等极易结垢的离子，在海水浓缩及加热后，容易沉积在膜或设备表面，降低设备效率甚至造成安全隐患。目前采用加入阻垢剂及降低回收率的方法加以解决，但这在一定程度上减少了淡水产量。如能更好地解决结垢问题，则可有效提高海水淡化回收率，降低产水成本。目前出现集成耦合技术使用纳滤作为海水淡化预处理，在阻垢方面有较好效果。

3.3 浓盐水综合利用

从海水中分离出纯水后，剩余物即高浓度盐水，目前主要排回大海。但浓盐水排回会造成局部盐度升高而对当地海洋生物环境造成无法估量的污染，在封闭海域尤为严重。事实上，浓盐水的用途是很广的，它可以用于制盐，2012年7月河北国华沧东发电厂和中盐长芦沧州盐化集团就给“水盐联产”做了很好的表率。海水淡化产生的浓盐水也可以用于盐化工，从中提取具有高附加值的钾、溴、镁等化学元素，同时可以结合电力、冶金和化工等企业生产工艺中的余热进行综合利用，也可以在电厂实现“盐电联产”。因此加强零排放系统及浓盐水的再利用是解决此问题的关键。

4 海水淡化研究方向

根据中国水力企业协会脱盐分会提供的资料，截止2012年初，我国已建成海水淡化装置73套，由于技术原因，其中早期建设的6座已停产[16]，建成投产的67处工程设计产能已经到达76万m3/d。“十二五”规划明确要求到2015年我国海水淡化能力达到220～260万m3/d。海水淡化重点开发工程项目和研究方向相关归纳如下。

（1）发展产业：高智能化的大型反渗透；低温多效海水淡化成套技术和设备；适用于海岛的多能源耦合海水淡化装置。

（2）核心技术研究方向：海水取水、预处理、工艺耦合、浓海水排放、淡化水后矿化、系统控制和管理。

（3）关键装备：反渗透海水膜元件及膜压力容器、海水高压泵及海水高压循环增压泵、能量回收装置、海水预处理膜过滤装置、低温多效海水蒸发器、蒸汽喷射器等。

（4）新技术和工艺攻克：电吸附、膜膜耦合、热膜耦合、膜蒸馏、正渗透等，可再生能源利用。

5 结语

从海水淡化技术角度看，反渗透、低温多效和多级闪蒸是国际上海水淡化工程中应用最多的方法。目前，我国正致力于反渗透主体设备的研制开发，并且将来很长一段时间反渗透技术仍将继续占有主要市场。另外，积极的开展创新性研究，鼓励自主创新仍然是我国海水淡化领域前进的方向。但是，海水淡化是一个以能源换资源的过程，在很大程度上，成本的控制决定了工艺装备的存活几率，无论是国内还是国外，海水淡化工厂关停或闲置的案例并不鲜见，降低成本、节能减排是海水淡化工艺研究的突破点。

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