海水淡化技术与产业化

海水淡化技术与产业化徐云1（江南大学化工与材料工程学院，江苏无锡214122） 摘要：分析了海水淡化的技术现状，介绍了各种海水淡化方法的特点，阐明了 海水淡化技术的发展趋势。介绍了各种海水淡化方法的具体应用，并对海水淡化 技术的应用状况进行了分析对比。关键词：水资源；海水淡化；技术进展；发展目标；产业化Seawater desalination technology andindustrializationXU Yun（School of Chemical and Material Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）Abstract: The current technical status of seawater desalination are analyzed， this paper analyzes all kinds of seawater desalination method features，expounded desalination technology development trend。This paper analyzes all kinds of seawater desalination method, and the specific application of seawater desalination technology application status was analyzed and compared.Key words: water； seawater desalination； technical progress； development target； industrialization随着经济社会的高速发展和人口的急剧增加，水资源危机已成为仅次于全球 气候变暖的世界第二大环境问题。世界范围的普遍缺水使海水淡化技术从中东的 沙漠地区扩展到全球的主要沿海国家，形成了海水淡化水的生产销售和装备制造 两大产业。由于地球表面总水量的97. 3%为海水，其余2. 7%为淡水，其中的90%为 覆冰，可供工农业和城市用水仅0. 27%，因此从这个意义上说，海水才是取之 不尽、用之不竭的主要水源。因而，近年来海水淡化技术倍受关注。到1998年， 全世界淡化水生产能力己达到日产2 300万m3，2000年则达到日产2 700万m3，平 均以7%8%的年增长率攀升。供养的人口不仅有中东的若干国家，还有美国、 俄罗斯、日本、意大利、西班牙等发达国家的部分地区，达1亿之众。我国水资源总量2. 81万亿吨，居世界第6位，但人口为世界人口的四分之一， 人均水资源为世界第108位，是世界上21个贫水国家之一。全国有10个省、市、 自治区的人均水资源占有量不足1 000m3,黄河、淮河流域人均水资源占有量501 m3,仅为全国平均水平的1 / 5,世界平均水平的1 / 16。全国有300多个城市缺水， 其中110多个严重缺水，尤其是北方沿海地区和众多岛屿普遍缺水，已严重影响 到国民经济的发展和人们的生活质量。2010年后，中国将开始进入严重的缺水期。 2030年中国将达到缺水高峰。上述表明，我国现在紧张的水资源形势，在伴随生1作者简介：徐云（1988），男，江苏泰兴人，化学工程与工艺专业学士。QQ:853475720;邮箱：853475720态恶化造成的水土流失，环境污染引起的淡水资源减少，更使我国水资源面临的 紧迫局面雪上加霜。淡水资源紧缺已成为制约我国国民经济发展和人们生活水平 提高的瓶颈，发展海水淡化技术，开拓稳定可靠的淡水资源，是缓解我困沿海地 区淡水资源缺乏的战略性的根本措施。随着我国国民经济的高速发展及人口总量 的增长，淡水需求量与日俱增，我国淡水资源危机将日趋严重。解决我国水资源危机必须实行水资源综合治理，一方面大力推广各种节水技 术、节水措施，建立节水型工业和农业；另一方面，开发长期、稳定的淡水资源， 增加淡水资源供应量也是行之有效的措施之一。特别在沿海城市，淡水效益的不 断提高为海水淡化提供了经济条件；海水淡化技术的日臻完善，并与其它生产相 结合的海水淡化技术的发展，为开发海水中的淡化水资源提供了技术条件。从目 前经济、技术条件和水资源供求状况来看，发展海水淡化技术，向海洋要淡水是 沿海国家和地区解决淡水资源供需矛盾的有效途径，也是沿海城市解决淡水危机 的必然趋势。1海水淡化技术及其分类海水淡化技术的研究起始于20世纪50年代中期，到现在，海水淡化已发展 成为一种可靠的工业技术。I960年，全球海水淡化的总装机容量仅为0.058 X 106ms/d;1970年，全球海水淡化的总装机容量达到1.15X106m3/d ；目前，全世界 单机日产量在100t以上的淡化装置其总的生产能力超过了 30X 106m3/d。海水淡化技术也称海水脱盐技术，是分离海水中盐和水的过程。按分离原理 和方法，海水淡化技术可分为相变法和非相变法两大类。图l列出了海水淡化法 的不同分类，其中除溶剂提取法和气体水化物法外，大多数已实际应用。应用最 为广泛的是闪蒸法和反渗透法。图l海水淡化方法的分类2不同海水淡化的技术特点2. 1蒸馏法蒸馏法主要有多级闪蒸(MS F)、多效蒸馏(MED)和压汽蒸馏(VC),工作原理 如图2所示。图2三级蒸馏淡化原理含盐水进入第一级蒸发器后被来自热源的蒸汽(一级蒸汽)加热汽化，汽化产 生的二次蒸汽被引入第二级蒸发器，加热来自第一级蒸发器的浓缩盐水，同时又 被冷凝成蒸馏水。第二级与第三级蒸发器之间的汽、水流程与上段情况相似，如 此类推。当海水表面压力低于1. 013X105Pa时，海水不到100T就沸腾了，压力 越低，沸点越低，这样海水便会急剧蒸发，并凝结产生淡水。为了依次降低各级 蒸发器中含盐水的沸点，系统中应用真空泵由后向前依次在各级蒸发器中形成真 空，其真空度也依次减小。这样才能用前一级蒸发器的二次蒸汽加热后一级蒸发 器中的浓盐水，同时用后一级蒸发器中的浓盐水冷凝来自前一级蒸发器的蒸汽 3。蒸馏法的优点是工艺简单易于实现，并不受水中含盐量的限制，适用于余废 热可利用的项目，设备容量大，所产淡水水质纯度较高，产品水含盐量为210mg /L，装置进水可不经预处理直接由海水提供。故该装置多用于沿海的火力发电 厂、核电站。其缺点是能耗多、设备费用高，存在设备、管路结垢与腐蚀问题。2. 2电渗析法电渗析(ED)是膜分离技术的一种，是电解和渗析扩散过程的组合，其工艺 原理如图3所示。阴极室中室阳极室阴极A阳极1电阳膜明膜展|Na-Na-ci-ci-OH-ci-Na-H-图3双膜电渗析槽原理利用离子交换膜的选择透过性，即阳膜理论上只允许阳离子通过，阴膜理论 上只允许阴离子通过，在外加直流电场作用下，阴、阳离子分别往阳极和阴极移 动，它们最终会于交换膜，如果膜的固定电荷与离子的电荷相反，则离子可以通 过，如果它们是相同的，则离子被排斥，从而可以制得淡水。电渗析适用于含盐量小于20 g/L的苦咸水的淡化，由于其耗能很大，大型 海水淡化装置基本上不采用电渗析法。此外，电渗析只能除去水中的盐分，而对 水中有机物不能除去，某些高价离子和有机物还会污染膜。电渗析运行过程中易 发生浓度极差化而产生结垢，这些都是电渗析技术较难掌握而又必须重视的问 题。2. 3真空冷冻法真空冷冻一汽相冷凝海水淡化新技术是依据海水的三相点理论，使海水同时 蒸发与结冰的一种低能耗、轻腐蚀结垢的海水淡化方法。其工艺原理如图4所示。图4水和海水的三相图海水三相点是使海水汽、液、固三相共存并达到平衡的一个特殊点。若压力 或温度偏离该三相点，平衡被破坏，三相会自动趋于一相或两相。真空冷冻法海 水淡化正是利用海水的三相点原理，以水自身为制冷剂，使海水同时蒸发与结冰， 冰品再经分离、洗涤而得到淡化水的一种低成本的淡化方法，与蒸馏法、膜法相 比，能耗低，腐蚀、结垢轻，预处理简单，设备投资小，并可处理高含盐量的海 水，是一种较理想的海水淡化方法。2. 4反渗透法利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开。在 通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐步升高， 直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。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一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。反渗透法使用的薄膜叫“半透膜，通常又称超过滤法。是1953年才开始采 用的一种膜分离淡化法。因其具有占地少、建造周期短、操作简单、相对投资小、 能耗相对较低和启动运行快等特点，逐渐在海水淡化市场中占据“统治”地位。3海水淡化技术应用现状5现有的海水淡化技术已达20余种，反渗透、低温多效蒸馏、多级闪蒸、冷冻 和电渗析法是目前常用的几种海水淡化技术。20世纪30年代，沙特阿拉伯首先采 用低温多效蒸馏技术淡化海水.由于低温多效蒸馏存在结构等缺点。50年代又开 发了多级闪蒸海水淡化技术，从此，海水淡化业得到很大发展，多级闪蒸技术的 市场占有率也一直很高。50年代后，压气蒸馏、冷冻和电渗析等淡化技术相继出 现，并在不同时期占据一定的市场份额。与其它几种淡化技术相比反渗透技术问 世较晚，而反渗透法的最大优点是节能，它的能耗仅为电渗析法的1/2,蒸馏法 的1/40。因此，从80年代起。美日等发达国家先后把发展重心转向反渗透法.反 渗透海水淡化技术是近几年来海水淡化技术发展的核心。各种海水淡化技术所占的市场份额。60年代中期至80年代初.多级闪蒸淡化 技术的年市场占有率均高于40%，在淡化技术中位居首位。80年代后期，随着海 水反渗透淡化技术的不断完善和发展，其优越性逐渐得到显现，开始占据主导地 位，该技术大大改变了传统高效蒸发等技术的高耗能缺点，使出水水质标准量更 高，质量更稳定。90年代以来，出现了反渗透和多级闪蒸两种技术交替占据主导 地位的现象。4结论多级闪蒸、低温多效蒸发和反渗透是当今海水淡化三大主流技术（如表1），3 种技术各自有不同优势：多级闪蒸技术单机产水能力明显高于其他两种工艺.而 出水水质比较起来是多级闪蒸和低温多效两种技术出水效果较好：但低温多效电 能能耗却较其他两种工艺要低。可以采用廉价材料从而降低工程造价；比较而言 反渗透技术却具有能耗相对较低，并能提高反渗透系统回收率、廉价高效预处理 技术、增强系统抗污染的能力。参考文献(References):1 解利昕，李凭力，王世昌.海水淡化技术现状及各种淡化方法评述J.化工进 展，2003,22(10):1078-1084.JIE Li-xi,LI Ping-li,WANG Shi-chang.A Review of Seawater Desalination and Comparision of Desalting ProcessesJ,Chemical Industry And Engineering Progress,2003,22(10):1078T084.(in Chinese)2 朱玉兰.海水淡化技术的研究进展J.能源研究与信息,2010,26(2):72-78.ZHU Yu-lan.Advances in the technologies for seawater desalinationJ.Energy Research and Information,2010,26(2):72-78.(in chinese)3 高艳玲，吕炳南，赵立军.海水淡化技术评述与成本分析J.工程与技术， 2005,2:28-30GAO Yan-ling,LV Bing-nan,ZHAO Li-jun.Technology Evaluation and Cost Analysis of Sea Water 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