海水淡化技术现状及展望

邬晓龄，黄肖容，邓 尧

（华南理工大学 化学与化工学院 工业催化，广东 广州 510640）

海水淡化技术现状及展望

邬晓龄，黄肖容，邓 尧

（华南理工大学 化学与化工学院 工业催化，广东 广州 510640）

简要介绍了各种海水淡化技术，分析了传统和新型海水淡化技术的发展现状及存在的问题。指出发展具有抗污染性强、高膜通量和 NaCl截留率高特性的膜分离海水淡化技术和集成海水淡化技术是未来海水淡化技术的发展方向。

海水淡化；膜分离；反渗透；纳滤

淡水缺乏成为了 21世纪的焦点。在地球表面5.1亿km2的总面积中，海洋面积为3.6亿km2，大约占地球表面积的70.8%。海洋拥有地球总水量的95%，在全球淡水资源紧缺的形势下，海水淡化日益重要[1]。于上世纪起，沙特、美国、以色列、新加坡等国家大力建设海水淡化厂，解决内地淡水资源缺乏的现状。我国淡水资源总量虽世界第六，但水资源的分布很不均衡，人均占有量仅位于世界第109位。目前我国有110个城市严重缺水，主要分布在华北、东北、西北和沿海地区。为保证我国经济的可持续发展，缓解当代水资源短缺，大力发展海水淡化技术产业来解决淡水资源问题已迫在眉睫。因此，发展海水淡化技术，向海洋索取淡水已成为现代社会的当务之急[2]。

1 传统的海水淡化技术

海水淡化就是将海水脱盐生产淡水。海水淡化可以充分利用海水资源，增加淡水总量。海水淡化发展于二战以后的拥有丰富能源却干旱的中东，传统的海水淡化方法有蒸馏法（又称热法）、冷冻法、露点蒸发法。

蒸馏法是最原始的方法。蒸馏法是通过加热海水，使水汽化、冷凝而获得淡水的淡化的一种方法，包括多级闪蒸、多级蒸发、压汽蒸溜[3]等。由于地理位置要求有局限性，一般都在沿海地区设置水电蒸馏厂。蒸馏法存在设备造价要求较高、锅炉易生垢、操作压力大、耗能大等不可避免的问题。

冷冻海水至结冰从而使盐被分离出去，得到淡水的方法即是冷冻法。冷冻法缺点是耗能大且制得的水质较差。

2 海水淡化技术的发展

海水淡化是一种能源密集型工业，消耗大。降低传统方法海水淡化过程的能耗或寻找可再生能源进行淡水生产是海水淡化技术发展的研究热点。

太阳能法是利用太阳能热效应驱动的海水淡化方法，将收集到的太阳热能驱动海水发生相变进行分离。太阳能较之传统热源等更安全、更环保。蒸馏法中研究最多、技术上最成熟的是太阳能盘式蒸馏器，此外还有利用烟囱技术的太阳能海水淡化新技术[4]。太阳能与脱盐装置结合用于海水淡化得到的淡水纯度高；缺点是整个系统的效率低，系统复杂，造价高。

膜分离具有高效节能、选择性好、无相态和化学变化及在常温下操作等优点，是继蒸馏法后的一项重要技术。膜法淡化海水，主要包括反渗透膜(RO)、电渗析法( ED)和纳滤膜法(NF)。

2.1 反渗透膜

20世纪60年代，Loeb和Sourirajan采用相转化法制备出第一张不对称醋酸纤维素膜之后，反渗透膜技术才有了突破性的进展[5]。Cadotte J. E.等人[6]以界面聚合法制备出高通量薄层复合膜，促使了反渗透膜的进一步发展。反渗透法是一种高效节能技术。它是利用选择性半透膜，根据半透膜两侧的渗透压大小，去除海水中盐类、小分子酸、醛等有机物和胶体得到淡水。目前最大的反渗透海水淡化厂产水规模已经达到3.3×105 m3/d。2005年以色列最大的反渗透海水淡化工厂建成[7]，产水量100 Mm3/a。2011年5月以色列投入使用的哈代拉海水淡化厂年产淡水量达到 1.27亿 m3，是现有世界最大反渗透海水淡化厂。反渗透海水淡化技术发展很快。电能是反渗透法的主要能耗，设置能量回收装置有利于提高系统的效率，可节能 35%～60%。反渗透法较之传统的蒸馏法，更加节能[7]，工程造价和运行成本持续降低，其发展速度远远快于蒸馏法。反渗透海水淡化的缺点是操作压大，膜组件易受到污染，进料液浓度有限制以及浓缩液的二次污染问题。如何提高海水预处理技术影响到反渗透膜受海水的污染程度，从而影响到反渗透膜系统运行的经济性[8]。减小反渗透膜操作压力，提高反渗透膜抗污染性是研究的方向。

2.2 电渗析法

20世纪初，德国首先开始研究电渗析技术[9]。电渗析技术(ED)装置是将阴、阳离子交换膜交替排列于正负电极之间，并用特制的隔板将其隔开，形成除盐淡化和浓缩两个系统。在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中把电解质分离出来，达到提纯效果。

电渗析最早应用于苦咸水淡化。1960年日本开展电渗析技术浓缩海水制盐的研究，1972年国会通过了废除盐田法制盐法案以后，电渗析法全部取代了盐田法[10]。最早的电渗析技术是填充床电渗析(EDI)，其概念始于1950年，结合了电渗析和离子交换法的优点逐步发展起来，实现了持续深度脱盐，它具有不用酸碱再生、产水周期长、耗电少等优点[11]，EDI的缺点是成本高、产生氢气和易爆炸。从20世纪50年代至今双极性膜逐渐发展起来，双极性膜电渗析(EDMB)是一种新型离子交换复合膜，能够在不引入组分的情况下将水溶液中的盐转化和分离成相应的酸和碱，突出的优点就是过程简单，能效高，废物排放少。在20世纪80年代后期，倒极电渗析器的出现[12]，使电渗析的结垢问题得以解决，废水回收率高达80%以上，从而大大推进了电渗析技术的发展和应用。我国的电渗析技术已成功的用于海水淡化、苦咸水淡化和各种纯水的制备。电渗析技术的优点是：低能量，药剂耗量少，环境污染小，操作简单，预处理简单，具有较强的抗污染能力，水的利用率高。缺点是ED需要在海水淡化室中加入化学药剂脱除有机物、胶体、细菌和悬浮物等，不适用于制备饮用水[3]。

2.3 纳滤膜法

纳滤膜作为一种新型膜，较之反渗透膜，在很低的压力下仍具有较高的脱盐性能[13]。近年来纳滤膜发展十分迅速。纳滤膜的在水处理应用方面有很多，如水质软化、净化，废水处理；但是在海水淡化方面的应用研究相对较少。纳滤膜以复合型为主，在基膜上复合一个超薄表层。纳滤膜制备的基膜主要是选取诸如聚砜、聚醚砜这样的亲水性支撑层，在超滤基膜上覆盖亲水性物质薄膜，来提高膜通量和对Mg+，Ca+及Na+等盐离子的截留率。Eun-Sik Kim[14]等人利用常压等离子体法对有序介孔碳纳米管进行改性，增加了膜表面的导电性和高亲水性，结合超声法，增加材料与水相体系之间的相互作用，从而提高改性介孔碳管在水相中的分

散度。检测结果表明对于SO42+二价离子的截留率很高，但是随着亲和介质的引入，

膜通量增大，NaCl的截留率却有所降低。Mohsen Jahanshahi[15]等人分别研究了界面聚合法制备了哌嗪/聚醚砜和聚二乙烯醇/聚醚砜两种纳滤薄膜。Masakoto Kanezashi和Chunlong Kong[16]以聚胺超滤膜为基膜，用界面聚合法将丙酮覆盖在超滤膜上，制备出丙酮复合纳滤膜(CAIP)。丙酮的引入改变了膜的亲水性，提高膜通量。截留盐分子的滤膜孔径在0.66nm，NaCl的截留率高达到98%。研究表明，膜材料、膜结构、形态以及表面性质等特性都会影响膜的性能，纳滤膜通常对多价离子的截留率比对单价离子的脱除率高些。

纳滤膜的膜孔径、操作压力、通量和淡化率相互影响制约。Mahesh Padaki[17]等人用Al金属蒸汽相沉积法实现了微孔聚砜基膜向纳滤聚砜复合膜的转换，改变了聚砜膜的亲水性，提高了膜的热稳定性及膜对无机盐离子的选择性。当膜孔径从微孔减小到纳滤孔径后，纳滤孔径对盐离子的选择性和NaCl的截留率均提高了，但是水通量却小于微孔水通量；增大纳滤膜水流压力，膜通量将减小，NaCl的截留率将提高。膜通量和截留率是纳滤膜两个关键因素，同时提高膜通量和对一价离子的截留率是纳滤膜淡化海水技术发展的方向。

3 集成海水淡化技术

无论是蒸馏法还是反渗透、电渗析和纳滤膜方法，均有各自的缺点。将两种甚至多种技术结合的集成海水淡化技术有望提高海水利用率、提高淡水产量和降低成本。典型的集成海水淡化技术有：水电联产、热膜联产、离子交换法-纳滤膜法和双膜法。

3.1 水电联产

水电联产是利用电厂的廉价电力和废热蒸汽淡化海水的一种方式。水电联产能提高能源利用率[18,19]、降低海水淡化成本和减轻环境污染[20]，在水资源缺乏地区，将海水淡化和其他工业形式灵活组合，对解决淡水紧缺和促进工业发展有很大的帮助。国内外很多海水淡化厂都是和发电厂建在一起的，这是当前大型海水淡化工程的主要建设模式。传统能源的资源利用率有限，发展核能，太阳能等新能源进行海水淡化将成为新的研究热点。

3.2 热膜联产

热膜联产是结合热法和膜法淡化海水的一种方式，满足不同用水需求，降低海水淡化成本。用太阳能、风能等可再生能源与反渗透联合使用，可提高海水淡化效率，降低能耗及成本。

近年来国内仅公开了少量以采用蒸汽、风能为能源与反渗透联合淡化海水的相关研究，太阳能反渗透海水淡化设备[21]和一种风能反渗透海水淡化装置[22]。太阳能反渗透海水淡化设备用太阳能产生的蒸汽代替电力直接驱动汽轮泵，避免了蒸汽转化为电力再驱动泵所造成的热效率的损失。热膜联产既具有太阳能技术的节能和环保特点，又具有膜法海水淡化的优点。以风能直接驱动的海水淡化设备中的高压泵，相比以风力发电为基础的电力驱动装置，其利用率更高，投资更少、维护费用更低。热膜联产最主要的缺点是设备造价高。

3.3 离子交换法-纳滤膜法

离子交换法(HIX)是利用阳离子交换树脂吸附水中的阳离子释放出氢离子，再用阴离子交换树脂吸附其中的阴离子释放出氢氧根，二者中和而达到除盐的目的。离子交换法-纳滤膜法(HIX-NF)是一种新型的集成淡化海水技术，纳滤膜替代反渗透膜，大幅度降低海水脱盐过程中的能量消耗，提高能源利用率。从科学的角度去分析，HIX-NF优于膜处理，它能改变进料液的化学性质，在淡化海水过程中具有独特性。特别是在不添加任何添加剂的情况下，HIX-NF通过可逆阴离子交换法将海水中一价 Cl-转化成二价 SO42-，一方面降低了反渗透时进料液所需约30%的操作压力，另一方面纳滤膜的浓缩液中富集的 SO42-可以作为阴离子交换离子循环使用，降低了反渗透海水淡化过程中的能耗，克服纳滤膜对单价离子截留率不高的缺点，提高海水淡化率[23]。

3.4 双膜法

海水中含有大量的无机胶体和有机大分子，海水预处理尤为重要。海水淡化预处理主要包括降低海水的浊度、污泥密度指数（SDI）、化学耗氧量（COD）、微生物含量以及加入高效助凝剂提高氢氧化物絮凝沉淀的速率等。未经有效预处理的海水进行反渗透时，将增加反渗透膜的负荷、增加淡化过程膜清洗、反冲的频率，增加成本，降低产淡水量，影响反渗透膜的使用寿命。在固定浓度的TDS和操作压力下，检测NF膜和RO膜过滤得到的浓缩液A和B中Na2SO4的截留率，结果分别为大于75%和 99.2%[24]。采用纳滤和反渗透联用的膜法联用技术进行海水淡化，可明显提高离子的截留率，降低能耗和造水成本。另外双膜发还有微滤和反渗透的结合以及双重纳滤膜法[25]。

4 结论与展望

淡水资源严重缺乏是 21世纪困扰世界各国发展的一个重要因素，相对于各种有实效的方案，海水淡化是一个较优的解决方式。在国际上，海水淡化已具有明显的优势，国内由于水价较低，海水淡化成本相对较高。国内的海水淡化生产能力同国际上相比差距大，我国海水淡化技术还有待提高。

海水淡化方法有蒸馏法和膜法：蒸馏法能耗大，操作成本高；反渗透法已被广泛运用于淡水生产中，但是反渗透法的操作压力较高以及膜组件污染问题会影响膜的寿命；纳滤膜法操作压力低，能耗低，符合未来海水淡化发展的趋势，但膜通量的高低和纳滤膜对 NaCl截留率的大小影响纳滤膜淡化海水的效率。水电联产、热膜联产等多种技术集成的海水淡化技术能提高海水淡化效率，降低能耗。可以预测未来提高海水淡化效率两种方法：(1)发展具有抗污染性强、高膜通量和高 NaCl截留率特性的膜淡化海水技术；(2)作为资源的最有效整合方式，集成海水淡化技术将是未来海水淡化技术发展的趋势。

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Status and Prospects of the Seawater Desalinization Technology

WU Xiao-ling，HUANG Xiao-rong，DENG Yao
（College of Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangdong Guangzhou 510640，China）

Different technologies of seawater desalination were briefly described，and developing status and limitations of traditional and novel technologies for seawater desalination were analyzed．It’s point out that the membrane technology for seawater desalination has strong antipollution ability，high water flux and high rejection efficiency of sodium chloride，and the integrated seawater desalination technology is the research tendency．

Seawater desalination；Membrane separation technology；Reverse osmosis；Nanofitration

TQ 085

A

1671-0460（2012）09-0964-04

2012-04-01

邬晓龄（1988-），女，安徽合肥人，硕士，华南理工大学化学与化工学院硕士生，从事纳滤膜海水淡化技术研究。电话：020-87111449，E-mail：wuxiaol163@163.com。