海水淡化技术研究

华丽红

摘 要： 随着我国海水淡化技术的成熟，在国家政策扶植的背景下，我国海水淡化行业有望步入快速成长期。目前，海水淡化方法已出现了数十种之多，而适用于大型的海水淡化的方法只有多级闪蒸法、多效蒸馏法和反渗透法。

关键词： 海水淡化；多级闪蒸法；反渗透法

世界上越来越多的人依赖淡化的海水作为饮用和生活用水来源，传统的海水淡化技术的主要缺点之一是需要耗费大量能源，这在全球能源紧缺的形势下，必将使海水淡化成本的增加。目前，全球海水淡化厂主要用于生产饮用水，解决全球数亿人的供水问题，主要市场集中在中东、美国等地区。随着我国海水淡化技术的成熟，在国家政策扶植的背景下，我国海水淡化行业有望步入快速成长期。

我国沿海地区人口稠密，经济发达，水资源需求大，供需矛盾尤为突出，有的城市人均水资源量占有量非常贫乏。沿海地区濒临海洋，海水资源丰富，因此走海水淡化之路，是解决缺水问题的重要途径之一。

一、海水淡化技术概述

所谓海水淡化，其实是从海水中提取淡水的一项复杂而艰难的技术。反过来讲，海水淡化过程也可以被看做是一个“海水浓缩”的过程。就拿目前比较流行的反渗透处理法为例吧，当海水从半渗透膜通过时，只有像水分子那样小直径的分子可以来去自如，而像盐分子这样的大个分子却只能“吃闭门羹”，被乖乖挡在外面，由此而增加了海水的浓度。科学家们为了保证淡化的质量，防止小孔被过多的盐分子堵住，浓缩的海水需要被及时带走。这就导致海水淡化会产生副产品“淡化废水”，这种废水既高盐度，又高碱度，并且其中富含重金属，对水下生物会造成破坏性很大的影响；如果淡化废水来自蒸馏淡化水厂，排出的废水还会改变海洋的温度，对海底生物产生巨大的影响。

目前，海水淡化方法已出现了数十种之多，但达到商业规模的主要有反渗透法（SWRO）和蒸馏法，也就是常说的“膜法”和“热法”，其中蒸馏淡化技术又分成多级闪蒸（MSF）、多效蒸馏（MED）和压汽蒸馏（VC），而适用于大型的海水淡化的方法只有多级闪蒸法、多效蒸馏法和反渗透法。

在热电厂，海水被加热生成水蒸汽，然后凝结成淡水，模仿自然界的水循环。还可利用在这种能量密集型的过程中电厂的生产的副产品热能，这在中东等能源充足且价格低廉的地区尤其受欢迎。另一种主要形式是通过反渗透，用膜过滤水中盐分和固体颗粒。反渗透膜使用较少的能源，但其制作更困难。

二、淡化水的特性

蒸馏法主要包括MSF和MED两种方法，MSF和MED得到的淡水水质基本一致，含盐量低，TDS一般小于10mg/L，pH一般在5.0-6.7之间，Cl-，SO42-，F-，HCO3-等含量都非常低，产品水不含细菌和有害元素。反渗透法的脱盐率一般可达99%以上，还能够截留糖类，氨基酸，细菌，病毒等物质，TDS高于反渗透法所得淡化水，一般为20-500mg/L，pH一般在6.0-7.0之间。

海水淡化工程无论采用蒸馏法还是反渗透法，所产淡化水均有一个共同的特征，那就是矿物质含盐量低，pH呈弱酸性。这样的水质特征显然与传统饮用水水质有较大区别，同时也决定了淡化水的腐蚀性。

三、多级闪蒸工艺

多级闪蒸工艺（MSF）的原理是将海水在一系列压力逐渐减低的闪蒸室内进行闪蒸，闪蒸室的个数称为级数，超大型的MSF淡化厂可达50级。

海水首先通过闪蒸室顶部的冷凝管束，在冷凝管束中被各级闪蒸室内生成的逐渐升温的蒸汽预热，最后到达盐水加热器。盐水加热器的加热蒸汽来自火力发电厂，海水在加热器内被加热到最高温度（90-115℃）后送入第一级闪蒸室。

闪蒸室内的压力低于海水所对应的饱和蒸汽压，即海水被送入闪蒸室的温度高于在闪蒸室内压力条件下的沸点温度，因此海水迅速沸腾，一直到温度降到沸点，一部分海水汽化，生成的蒸汽通过除雾器去除溶解的盐类物质，最后在顶部的进水冷凝管束表面冷凝后生成淡水被收集。没有汽化的海水温度降低，流入到下一个压力较低的闪蒸室继续闪蒸的过程，这样重复蒸发和冷凝的过程持续生成淡化水。

MSF更傳统一些，技术成熟、可靠，运行安全、稳定，其装置具有大型化和超大型化的特点。由于多级闪蒸工艺将海水的加热和蒸发分开进行，相对于早期的多效蒸馏工艺，MSF设备的结垢现象较轻且容易去除。

大型的MSF通常设计成浓水循环式系统，回收部分浓水作为系统补充进水，循环一定比例的浓水可以减少蒸汽和海水的需求量，同时还可以减少阻垢剂和消泡剂的使用量。MSF的级数和造水比受到多种因素的影响，通常，在其他因素均相同的情况下，垂直的冷凝管束MSF系统，造水比大约是级数的1/2到1/3，而平行的冷凝管束MSF系统，造水比大约是级数的1/4。

四、多效蒸馏工艺

按多效蒸馏的最高沸腾温度，分为低温多效蒸馏和高温多效蒸馏。高温多效蒸馏可安排更多的传热效数，以达到较高的造水比，因此其热效率较高。但是，因头几效盐水的蒸发温度较高，传热管表面易结构，腐蚀速度快，对设备的材料要求高，需频繁清洗设备，对预处理要求也高。针对高温多效蒸馏的缺点，发展了低温多效蒸馏技术，其特点是盐水的蒸发温度不超过70℃，减缓了设备的腐蚀和结垢问题，同时由于使用了廉价传热材料，使得同样的投资规模可以安排更多的传热面积，即使在低温操作段也可以达到较高的造水比。热效率高，30余度的温差即可安排12以上的传热效数，从而达到10左右的造水比；操作弹性大，负荷范围从110%到40%皆可正常操作，不会使造水比下降；动力消耗少，动力消耗为0.9-1.2kWh/t水（不包括海水取水）；前处理比多级闪蒸和反渗透简单，由于省去了加酸脱气的过程，化学药剂消耗远低于多级闪蒸；系统的操作安全可靠，即便发生传热管泄露，仅仅降低一点产量而不会影响水质。与多级闪蒸相比，可以利用温度更低的蒸汽，有助于提高过程的热效率。低温操作时蒸汽比容较大，设备体积较大，从而使造价高；由于高温高盐度处理，对设备材料的耐腐蚀要求提高，即使达到10左右的造水比，生产一吨淡水仍需耗用约0.1吨蒸汽，生产成本仍较高。

多效蒸馏适用于结合火电厂或核电厂背压透平低位热源的大型海水淡化工程（电水联产工程）；蒸汽透平低压抽汽生产高质水，为高中压锅炉供水；利用工厂余热生产优质淡水；原水浓度高于海水的淡化工程，与反渗透结合形成混合流程降低水价等。

五、反渗透工艺

反渗透是一种先进的脱盐工艺，通常情况下可以脱除水中95%以上的盐分（三年内）。经过反渗透膜，水中其它残留的悬浮物、胶体、细菌、病毒基本去除，硬度可以在1mg/L（以CaCO3计）以下。

反渗透的核心部件是反渗透膜。目前主流的反渗透膜均为PA（聚酰胺）材质，早期的醋酸纤维素材质的反渗透膜已经逐步退出市场。

反渗透技术具有工艺简单、操作方便、易于自动控制、无污染、运行成本低等优点。若与石英砂、活性炭吸附、脱气、离子交换、UV杀菌等水处理工艺配合使用，则除盐效果更佳。尤其是当原水含盐量较高时反渗透膜处理对运行成本影响不大。反渗透技术有效弥补了水回收率低的弊端，并且对于有机物、胶体、微生物、悬浮物等有较好的脱除能力。因此，反渗透技术在海水淡化效率上明显超过电渗析法。此外，反渗透技术中的膜和膜组件比较成熟，为其在海水淡化中的广泛应用提供了可靠的技术支持。并且反渗透技术投资和能耗较少，容易实现自动控制，因此较其余膜分离技术和多级闪蒸技术更有优势。

六、结语

海水淡化技术的开发可以有效降低对地表水源的需求与依赖，同时新水源的开发和蒸汽资源重复利用以及水电联产的复合型生产模式，可作为循环经济的典范，最大限度的保护生态环境。随着我国社会经济的快速发展，一方面水资源缺乏已成为制约我国沿海地区经济发展的瓶颈，另一方面中国的海水淡化事业已经有了一定的基础，在一大批科学技术人才和企业的辛勤努力下，中国的海水淡化必将得到跨越式发展。■