热法海水淡化新兴技术研究综述

李长松 徐畅达 王 栋 上海海事大学商船学院



热法海水淡化新兴技术研究综述

李长松 徐畅达 王 栋 上海海事大学商船学院

摘要：总结了近年来3种基于热法的海水淡化新兴技术研究进展，并对其进行了综合分析与比较。新兴热法技术主要包括膜蒸馏（Membrane Distillation，MD）、热膜耦合、增湿-去湿（humidification-dehumidification，HDH）。

关键词：海水淡化；热法；新兴技术；研究进展

经济的发展和人口的增加，使水资源供应短缺成为仅次于全球气候变暖的世界第二大环境问题，至2025年，全球预计将有近1/3人口缺水。此外，2030年前中国工业缺水量将达到600亿m³以上［1］。因此，为保证我国经济的可持续发展，除了通过科学管理提高水资源利用率，还需重视开发海水淡化等水处理新技术以应对水资源危机。上海市有2/3的饮用水水源地水质不合格［2］，未来上海的人口规模将由目前的2 500多万增加到3 000万甚至更多，水危机将是上海市未来面临的一个最严重挑战。

在海水淡化的发展历程中，已逐渐形成了以多级闪蒸（Multi Stage Flash，MSF）、低温多效蒸馏（Low Temperature-Multi Effect Distillation，LT-MED）和反渗透膜法（Reverse Osmosis，RO）为代表的3大主流技术。目前热法中的多级闪蒸和低温多效蒸馏技术占全球海水淡化市场份额的30%，反渗透膜法为65%［3］。

1　热法海水淡化新兴技术

热法海水淡化的基本原理，是基于盐水分离过程中热量输入与输出所引发的水的相变过程。近年来，经过不断改进与创新，其研究方向主要集中在将热相变过程和膜法相结合的技术上，包括膜蒸馏和MSF/RO热膜耦合技术。此外，为降低能耗，利用可再生新能源，还开发了增湿-去湿技术。

1.1膜蒸馏海水淡化

MD的基本原理如图1所示。膜两侧温差产生的蒸汽压差作为传质推动力，料液中的水或挥发性物质以蒸汽形式透过疏水性微孔膜，直接或间接的被膜另一侧的冷料液冷凝，从而达到将混合物分离、提纯或者浓缩的目的。膜通量，即产水量是体现MD效果的关键参数，主要与MD的冷凝方式、膜材料及操作工况相关。

根据冷凝方式的不同，膜蒸馏过程可分为直接接触式膜蒸馏（Direct Contact Membrane Distillation，DCMD）、气隙式膜蒸馏（Air-Gap Membrane Distillation，AGMD）、真空膜蒸馏（Vacuum Membrane Distillation，VMD）和气体吹扫式膜蒸馏（Sweep Gas Membrane Distillation，SGMD）4种形式，不同形式对苦咸水及海水淡化的详细研究可参见Wang［4］和赵晶［5］的研究。

用于MD的膜材料包括聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙烯（PP）、聚偏氟乙烯（PVDF）等［6］。MD膜典型的孔隙率为0.06～0.85，孔径为0.2-1.0μm，膜厚度为0.06～0.25 mm。其中，聚四氟乙烯膜疏水性好，耐高温、稳定性较好，但制作成本高，目前应用较少；聚丙烯膜由于制作容易、价格低廉而最常用，但存在疏水性和稳定性相对较差等缺点；聚偏氟乙烯膜性能和稳定性介于聚丙烯膜和聚四氟乙烯膜之间，故近年来得到更多研究［7］。

图1　膜蒸馏原理图

为提升膜通量，Wang［3］发现膜通量不受给水含盐度的影响。Teoh［8］改进了膜组件设计，使用间隔器及扰流板增强了湍流扰动，增大了传热传质综合系数，与未改进前相比，在75℃时使膜通量提升了11%～49%。李欢［9］用减压膜蒸馏对渤海海水进行了研究，得到的最大膜通量为17.6 kg·m-2·h-1，发现随着料液温度与膜通量呈正相关关系。李玲［10］利用减压膜蒸馏对地下苦咸水进行研究，结果表明料液浓度对膜通量的影响呈倒S形，料液温度对膜通量的影响呈指数关系，水蒸汽压平方根差与膜通量呈直线关系。徐夫臣等［11］用真空膜蒸馏对海水淡化过程进行了强化研究，在膜蒸馏纯水过程中，通入气体能够较好地强化过程。李卜义［12］利用响应曲面法对中空纤维空气隙式膜蒸馏海水淡化过程的影响因子和膜通量指标进行了模拟优化，通过面向中心复合设计法实现优化设计，并引入太阳能作为驱动热源进行实验验证，得到的最大膜通量为6.47 kg·m-2·h-1。

此外，MD还能与RO相结合，增加RO过程中给水回收率。Qu［13］将DCMD和快速沉淀软化法相结合后应用于RO，用NaOH和方解石调节pH值，再经微细过滤掉晶种杂质，能有效防止反渗透后的浓缩液堵塞DCMD膜组件。通过该方法，使RO的给水回收率增长到98.8%，经300 h连续运行后膜通量仅减少了20%。

目前，MD还未得到广泛应用，主要是由于膜通量低、热效率不高、长期运行后膜组件受污染以及给水预处理带来成本上升等问题未得到根本解决。因此，研发具有高膜通量、高耐久性的超疏水膜以及改进MD组件膜蒸馏形式是MD未来研究的趋势。

1.2MSF/RO热膜耦合

热膜耦合技术将热法和膜法的优点结合起来，不仅可提高热法海水回收率、减少排放热量、降低设备结垢风险，还能提高膜法淡水的产量、简化工艺、提高回收率。目前其主要应用有以下3种。

（1）将MSF单元排放的盐水与部分冷却海水混合作为RO单元的进水。这样可提高海水回收率，并使RO单元的进水温度升高，因此可以增大RO膜通量或降低RO膜的操作压力从而降低系统能耗。对于该工艺，RO单元的进水温度每升高1℃，RO膜通量能提高2%～3%［14］。由于MSF和MED产水的总溶解浓度（TDS）含量通常低于10 mg/L，而RO产水TDS含量较高，可将MSF/MED产水与RO产水进行混合，实现分质供水，与单一的RO淡化系统相比可以降低13%的成本［15］。

（2）利用RO单元预处理原料海水，改变MSF单元的进水水质。海水中含有一定浓度的易结垢离子（如Ca2+、Mg2+、SO42-和HCO3

-），在热法装置中通常要限制其运行的最高盐水温度（TBT）以防止出现结垢现象。沙特的盐水转换公司（SWCC）［16］采用可去除大部分易结垢离子的纳滤（NF）作为MSF的预处理，将MSF的TBT提升至130℃，且在运行过程中无需增加阻垢剂，其海水回收率由常规的35%提高至70%。

（3）实现水电联产系统中发电系统和制水系统的良好匹配，使水电联产系统更加经济高效。如果只采用MSF技术进行海水淡化，其淡化水的比能耗随着发电负荷的增大而减小，如果采用50% MSF和50% RO耦合技术进行海水淡化，其淡化水的比能耗基本不受发电负荷的影响，比能耗约为单一MSF淡化发电系统比能耗的60%［17］。

热膜耦合海水淡化技术能够充分发挥热法和膜法两种海水淡化的技术优势，从而降低总体系统的投资费用和运行成本。但作为一种尚不成熟的技术，未来还需对RO和更高效的LT-MED海水淡化技术相耦合、新型膜分离过程与热法海水淡化相耦合、热膜耦合技术的区域适用性等方面深入研究。

1.3增湿去湿海水淡化

增湿去湿淡化装置一般包括蒸发室、冷凝室和加热器三部分，其原理是让载气（一般是空气）在蒸发室与海水相互接触并被增湿，然后进入冷凝室去湿冷凝获得淡水，冷凝潜热一般通过预热进料海水进行回收，加热器可以用来加热海水或蒸汽。

为减少增湿去湿法的能耗，提高造水比（gained output ratio，GOR），学者们做了许多工作。Chafik用太阳能集热器来循环加热空气，一个四级循环系统能使蒸发器出口空气湿度从4.5%提高至9.3%。然而Narayan［18］指出该过程GOR只增长了9%，这是因为传统增湿去湿淡化装置的缺点在于循环的海水不能有效地冷凝载湿气体，而采取高效率的增湿措施可以降低循环海水的温度从而提高淡水产量［19］。因此他提出了一种压力驱动的喷淋式增湿去湿淡化装置［20］，空气经压缩机压缩增压升温后进入冷凝室，在冷凝室中冷凝并预热进料海水，降温去湿后的空气进入蒸发室之前经过一个膨胀阀，因此，蒸发室中的压力比冷凝室中的压力低，在不改变冷凝室压力的情况下，进一步增加蒸发室的空气湿度，理论分析表明该类装置的造水比可以达到5。此外，Narayan［19］还使用RO来淡化蒸发器的浓海水，结果表明能耗有所降低，但该技术中对中压蒸汽的获取十分关键。Khalifa［21］利用自然对流使空气循环，平衡了HDH系统的温差，使能耗降低到120 kWh/m³。Hamieh［22］和Beckman［23］则采用露点蒸发技术［24］（将冷凝潜热直接传递到蒸发室，为蒸发海水提供汽化潜热）来提升热效率，但该技术需要很大的冷凝换热面，导致系统占地面积增加。

在沙漠地区，温室集成的太阳能增湿-去湿脱盐方法［25］更具优势，其在获取淡水的同时，还能控制温室环境，种植高附加值作物。Perret等［26］设计的一套温室系统在进口和出口都安装有蒸发器。在进口蒸发器中，空气与成滴状落下的海水直接接触而被增湿，然后在温室中继续受热、升温，在出口的蒸发器中被进一步增湿至饱和，最终通过冷凝器与温度较低的海水换热而制得淡水。研究了不同长度和宽度的温室的产水能力，结果表明，在沿着空气流动的方向上，温室的宽度是淡水生产重要的控制因素，增加温室宽度有助于提高淡水的产量。

增湿去湿海水淡化技术具有规模灵活、结构简单、成本适中、维护简单以及可因地制宜地利用低位热能和各种可再生能源等优点，具有广阔的应用前景。但基于该技术的海水淡化装置还存在一些问题，如：淡水产量有待提高；海水温度降低时，导致传热传质驱动力减小，因此提高了对冷凝换热器的要求；部分装置中耗能元件较多，故产水成本较高。

2　3种技术特点的比较

上述3种新兴技术的特点比较如表1所示。

3　结语及展望

目前大规模工业化海水淡化技术已经发展成熟，随着对淡水需求的不断增加，海水淡化技术的发展呈现出几个新特点。一方面，是对现有工艺进行提升，进一步增大单台产能，降低造水成本；另一方面，是开发新技术，利用新能源以降低运行成本。具体表现在下述几个方面［29］［30］。

（1）热法（主要指MSF和MED）和RO在未来较长时期内仍然是海水淡化的主流工艺；

（2）各种相关工艺与技术的耦合变得更加普遍，例如水电联产、热膜耦合和双膜法等；

（3）海水淡化工艺与淡化后浓海水综合利用技术耦合受到了广泛关注；

（4）利用太阳能风能核能等一系列新能源进行海水淡化的新工艺发展迅速；

（5）新型海水淡化技术的开发投入不断增大。

膜蒸馏技术自从20世纪60年代诞生以来，由于其设备简单、操作方便、几乎在常压下操作，但由于热利用率低、膜材料等的限制，尚未得到大规模工业化应用。热膜耦合能充分发挥热法和膜法两种海水淡化技术的优势，从而降低系统的投资费用和运行成本，目前尚处于初期发展阶段。增湿-去湿技术充分利用了可再生能源，未来研究将集中在新型聚合物传热传质元件、提高热能利用效率的途径上。总之，新能源及低品位热源的广泛利用为基于热法的海水淡化新技术带来了不断的研究动力。

表1　基于热法的新兴淡化技术比较

参考文献

［1］阮国岭.海水淡化工程设计［M］.北京：中国电力出版社，2012.6.

［2］李长江，郑爱平，麻土华，朱兴盛.解决长江三角洲水资源问题的途径和对策［J］.科技通报，2010，02：180-188.

［3］杨尚宝.中国海水淡化年鉴（2012）［M］.北京：中国计划出版社，2013.

［4］Peng Wang，Tai-Shung Chung.Recent advances in membrane distillation processes：Membrane development，configuration design and application exploring［J］.Journal of Membrane Science，2015，474：39-56.

［5］赵晶，武春瑞，吕晓龙.膜蒸馏海水淡化过程研究：三种膜蒸馏过程的比较［J］.膜科学与技术，2009，01：83-89.

［6］Alkhudhiri，A.，Darwish，N.，Hilal，N.，2012.Membrane distillation：a comprehensive review.Desalination 287，2-18.

［7］唐娜，刘家祺，马敬环.用于膜蒸馏的膜材料的现状［J］.化工进展，2003，22（8）：808-812.

［8］Teoh，M.M.，Wang，K.，Boyadi，S.，Chung，T.，Forward Osmosis and Membrane Distillation Processes for Freshwater Production［OL］，http：// www.innovationmagazine.com/innovation/volumes/v8n1/coverstory3.shtml

［9］李欢，陈华艳，吕晓龙.减压膜蒸馏法淡化渤海海水的研究［J］.水处理技术，2009，35（4）：65～68.

［10］李玲，匡琼芝，闵梨园等.减压膜蒸馏淡化罗布泊地下苦咸水研究［J］.水处理技术，2007，33（1）：67～70.

［11］徐夫臣，潘艳秋，王同华.真空膜蒸馏海水淡化过程的强化研究［J］.现代化工，2010，30（3）：69～72.

［12］李卜义，王建友，王济虎，刘红斌.中空纤维空气隙式膜蒸馏海水淡化过程的性能模拟与优化［J］.化工学报，2015，02：597-604.

［13］Qu，D.，Wang，J.，Wang，L.，Hou，D.，Luan，Z.，Wang，B.，2009.Integration of accelerated precipitation softening with membrane distillation for high-recovery desalination of primary reverse osmosis concentrate.Sep.Purif.Technol.67，21-25

［14］Essam El-Sayed，Sadeq Ebrahim，Ahmad Al-Saffar and Mahmoud Abdel-Jawad，Pilot study of MSF/RO hybrid systems［J］.Desalination，1998（120）：121-128.

［15］ A.M.Helal，A.M.El-Nashar，E.Al-Katheeri and S.Al-Ma1ik.Optimal design of hybrid RO/MSF desalination plants：Part I.Modeling and algorithms［J］.Desalination，2003（154）：43-46.

［16］M.AK.Al-Sofi，A.M.Hassan，G.G.Mustafa，etc.Nanofiltration as means of achieving higher TBT of ≥120℃［J］.Desalination，1998（118）：123-129.

［17］Osman A.Hamed.Overview of hybrid desalination systems—current status and future prospects［J］.Desalination，2005（186）：207-214.

［18］Narayan G P，Sharqawy M H，Lienhard J H.Thermodynamic analysis of humidification dehumidification desalination cycles［J］.Desalination and Water Treatment，2010，16（1-3）：339-353.

［19］Narayan G P，Sharqawy M H，Summers E K.The potential of solardriven humidification-dehumidification desalination for small-scale decentralized water production［J］.Renewable & Sustainable Energy Reviews，2010，14（4）：1187-1201.

［20］Narayan，G.P.，McGovern，R.K.，Thiel，G.P.，Miller，J.A.，Lienhard，V.State of humidification dehumidification desalination technology［R］.Proceedings of the International Desalination Association （IDA） World Congress，Perth，Western Australia，2011，9：4-9.

［21］Khalifa Zhani.Solar desalination based on multiple effect humidification process：Thermal performance and experimental validation［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013（24）：406-417.

［22］Hamieh，B.M.，Beckman，T.R.Seawater desalination using dewvaporation technique：experimental and enhancement work with economic analysis［J］.Desalination 2006，195：14-25.

［23］Beckman，J.R.Dewvaporation Desalination 5，000 Gallon Per Day Pilot Plant［OL］.2008 http：//www.usbr.gov/research/AWT/reportpdfs/report120.pdf.

［24］Larson R，Albers W.Beckman J.The carrier-gas process-a new desalination and concentration technology［J］.Desalination，1989，73（1-3）：119-137.

［25］H.Mahmoudi，S.A.Abdul-Wahab，M.F.A.Goosen，S.S.Sablani，J.Perret，A.Ouagued，Weather data and analysis of hybrid photovoltaic–wind power generation systems adapted to a seawater greenhouse desalination unit designed for arid coastal countries［J］.Desalination，2008，222：119–127.

［26］Perret J S，Al-Ismaili A M，Sablani S S.Development of a humidification-dehumidification system in a quonset greenhouse for sustainable crop production in arid regions［J］.Biosystems Engineering，2005，91（3）：349-359

［27］Walton，J.，Lu，H.，Turner，C.，Solis，S.，Hein，H..Solar and Waste Heat Desalination by Membrane Distillation.Desalination and Water Purification Research and Development （DRIP） Program［R］，2004，81.

［28］Mahmoud，M.S.Enhancement of solar desalination by humidificationdehumidification technique［J］.Desalination Water Treat.2011，30：310-318.

［29］海水淡化科技发展十二五专项规划，2012.

［30］A.K.Plappally，J.H.Lienhard.Energy requirements for water production，treatment，end use，reclamation，and disposal［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16：4818-4848.

Energy Conservation of Shanghai Colleges and Universities Column
上海高校节能专栏

Summary of Emerging Technology Research of Seawater Desalination on Heat Method

Li Changsong，Xu Changda，Wang Dong
Shanghai Maritime University Merchant Marine Academy

Abstract：The article summarizes three kinds emerging technology research progress of seawater desalination on heat method in recent years.It also carries out comprehensive analysis and comparison.Emerging technologies on heat method include Membrane Distillation （MD），Hot Membrane Coupling，Humidification-Dehumidification （HDH）.

Key words：Seawater Desalination，Heat Method，Emerging Technology，Research Progress

［作者简介］

李长松：（1989-），男，硕士，研究方向为余热利用和水处理。

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.04.001