海水淡化技术现状及其应用探析

傅泽凯，王慈云

（1.武警海警学院；2.宁波财经学院，浙江 宁波 315000）

淡水资源短缺现已成为世界各国亟需解决的问题，由于现代化进程的加快，人们的生活水平日渐提高，过度开采地下水、地表水污染严重等一系列人为因素导致可用水资源越来越少。全球缺水的人口越来越多，目前，缺水的国家近30 个。虽然各国都采取了许多措施，无论是宣传节约用水、污水处理还是跨流域调水工程，但终究难以彻底解决缺水问题。地球的7/10 是由水覆盖，然而大部分水体都是海水，难以直接为人类利用。我国是一个缺水国家，水资源分布有地域差异，尤其是东部城市缺水严重，人均淡水拥有量少，又因为北方大型工厂居多，水污染严重，目前只能依靠南水北调解决用水问题。我国是一个沿海国家，是海洋大国，有着绵长的海岸线，有实施海水淡化策略的条件优势。利用海水淡化技术提取淡水，是缓解我国水资源短缺的一项重要举措。

1 固有海水淡化技术

固有海水淡化技术是指从20 世纪就已经流行的热法和膜法。热法以多级闪蒸、低温多效蒸馏等方式为主要形式，膜法有电渗析和反渗透技术这两种。这两类技术发展至今工艺成熟，成为公认的且最实用的连续提供淡水资源的方法，应用广泛。据资料显示，截至2022年10 月，世界海水淡化日总产量约为1 亿吨，可见其速度增长之迅速。

1.1 多级闪蒸（MSF）

该技术的发展建立在多效蒸馏技术的基础上，为了解决海水淡化设备易腐蚀结垢的问题而提出的。因为在这种技术中盐水蒸发的过程不发生在传热管，所以有效避免了换热管阻塞结垢，从而有效减少换热管的清洗和替换次数，很大程度上节省了人力和物力。在这种方法中，水加热在多个阶段，在每个阶段，压力和温度较前一阶段都有所下降。进口端盐水在加热槽中加热至90～115℃，产生水蒸气。第一阶段的压力水平较低于饱和压力的水蒸气，当一股饱和的水流通过压力转换器时，压力突然下降，形成了所谓的突然蒸发（闪蒸）。随着盐水进入下一步骤，一些水突然蒸发，当它通过减压喷嘴时并进入蒸汽箱。在冷凝管形成的蒸汽被蒸馏，然后收集进特制的塔盘。当蒸汽箱出现液体时，一些潜热被释放出来，用于在进入第一阶段前预热盐水。MSF 方法是通过在每个阶段中都降低压力和产生一定量的蒸汽来执行，这些蒸汽在同一阶段蒸馏，回收的海水量约为10%～30%。将每个阶段产出的盐水都聚集在一起，在后期阶段，一部分盐水被加入脱盐循环中以减少供给盐水的总容积。经过处理得到淡水的盐量低于10ppm。MSF方法对于给水条件（温度、盐度、不溶性物质及高污染百分比）的耐受值较高，适用范围更广。

1.2 多效蒸馏法（MED）

MED 也包含了多个步骤的处理，每一步采取放置在单独的容器中，每个步骤对盐水的压力逐渐减少。对于多效蒸馏法，通常用8 ～16 个步骤来降低能源消耗。将蒸发器管面上的水作为一层薄膜展开，使水迅速蒸发。产生的蒸汽在一个冷却的外部表面蒸馏，在这里，蒸馏水的潜热在较低的温度和压力下加热盐水，在第一阶段的初始加热后，在其他阶段不需要加热水。总的说来，每个阶段的冷凝潜热被用于在后面的阶段把水蒸发掉，这减少了海水淡化总能源的消耗。因此，该方法的能量消耗低于MSF 技术。每一步的降压过程都允许降低给水的蒸发温度，不需要任何外部供热，只有第一级蒸汽需外部提供能源。

1.3 反渗透（RO）

反渗透技术是以压力为推动力的膜分离过程，是目前主要的脱盐方法。反渗透方法的作用在于克服自然的渗透压现象，当盐水通过半渗透分离得到两种不同浓度的溶液的离子时，就会发生这种情况。渗透压是以浓度的差异为基础的，水从稀溶液向浓溶液流动，只要化学平衡正常，化学过程就会继续。只要施加的压力大于渗透压，水的流动可以被外界因素逆转。在反渗透中，含无机盐（矿物质）、可溶性/不溶性有机物、不溶性气体和微生物的水通过半透膜。半透膜是一种能让水比其他材料和化合物以更快的速度流过的薄膜。根据大小和水中的带电粒子，这些颗粒留在反渗透的入口部分，而淡水和脱盐水通过膜表面。因为气体分子颗粒很小，薄膜不能很好地阻挡它们。就反渗透膜孔的大小而言，它可以很容易地阻挡尺寸大于0.1nm 的固体粒子，这意味着膜可以吸收悬浮固体、微生物、细菌、病毒和其他对人体有害的物质。因此，每个膜层阻止一种特定的粒子。

1.4 电渗析（ED）

电渗析法的商业应用始于1952 年进行的苦咸水脱盐，与反渗透法相比早了10 年。采用电渗析法使用离子选择性膜来分离带电粒子水。在这种方法中，通过对盐水直接通电从淡水中分离矿物。电渗析由一堆阴离子和阳离子膜（在300 和600 之间）组成的，防止它们粘在一起，在膜之间用一些隔离物隔开，盐水就可以通过它。阳极和阴极位于膜的两端，当盐溶液中的电极连接到一个外部直流电源，负离子很容易通过最近的阴离子膜，但在前往阳极的过程中，它们与邻近的阳离子膜碰撞，因此阳离子向相反的方向移动并通过最近的阳离子膜；然而，它被卡在阴离子膜后面的下一层。通过这种手段，稀释或浓缩的盐溶液被放置在膜之间的空隙中。电渗析是一种无相变的盐水分离技术，适用于淡化浓度不大于20g/L 的苦咸水，即不适合淡化高浓度苦咸水。尤其要注意的是，为了提高电渗析的效率增加盐的吸收，必须将多组膜聚集在一起；因此，在这种情况下，该种技术可达到95%的淡水回收率。

2 新兴海水淡化技术

目前，海水淡化厂运行的价格非常昂贵，且能源耗费较大，所以需要提出具有创新的方法和技术来降低成本，使他们具有更强的业务能力和更低的能源消耗。因此，研究者正在不断提高海水淡化厂的效率来降低成本。新型海水淡化技术的发展将各种工艺的优势进行互补，提升淡水的水质，实现资源的优化配置，具有巨大的发展空间。

2.1 技术集成

（1）膜蒸馏。膜蒸馏（MD）具有成本低、节能等优点，能替代传统的膜法海水淡化工艺，蒸馏和膜法的混合是一种行之有效的方法。MD 法比其他膜分离法的通量低，如反渗透工艺，因此MD 有进行大规模淡水生产的能力。微孔疏水膜分离温热溶液来自装有液体或气体的冷却室的温差产生蒸汽压梯度，导致蒸汽分子通过膜并在表面凝结冷却为高纯度淡水。简言之，膜蒸馏过程分为三个阶段：进料海水经加热生成蒸汽的气化过程；水蒸气穿过膜进入低温侧的迁移过程；蒸汽在低温侧遇冷生成水的冷凝过程。膜蒸馏虽然集合了蒸馏法和膜法的优点，但仍处于不成熟阶段，并未实现规模化应用。

（2）ED-RO 集成海水淡化技术。这种集成技术的优点是经过第一步预脱盐处理后，可大大降低海水对金属管道的腐蚀，同时反渗透工艺过程压力降4MPa 左右，可采用普通高压泵。该集成工艺适合在沿海地区和海岛有足够空间的大中型海水淡化厂应用，无论在能源消耗、防腐防垢和可靠性等方面都优于单独的电渗析或反渗透技术。

（3）正渗透。正渗透与RO 同样利用膜系统，区别是驱使FO 发生的动力源于膜两侧的渗透压差，较高化学势侧流向较低化学势侧。水到达驱动液侧后再经过其他方式分离，分离出来的汲取液可以重新回收利用。因FO 工艺在常温常压条件下即可进行，因此有能耗低的优势；对许多污染物截留率高，分离效果好；对半透膜污染小，所以在海水淡化领域有广阔的应用前景。

2.2 新能源海水淡化技术

中国非化石能源消费占比逐年升高，2020 年，已进入能源转型的关键期。促进发展可再生能源，特别是风能能源、太阳能和海洋可再生能源结构调整的进程已经深入加速。人们认识到开发以可再生能源为主的新能源为动力来源的意义，可再生能源具有储量大、可再生、污染小的优点。

（1）太阳能。人类对淡水的需求化石燃料消耗的速度每天都在加快。所有类型的可再生能源中，太阳能进行海水淡化的工程占有最高的份额，它分为两个类型：直接型和间接型。接收太阳能量并将其转化为电能的光伏（PV）系统，它已被用于反渗透和去电离子系统；将接收到的太阳能转化成热能的太阳能系统，热能可以直接或间接供应能量。太阳能在这两种情况下，能量都被用来运行热机。如今，人们的注意力都集中在提高太阳能转换系统的效率，海水淡化技术和两者的最佳结合，使该系统得以经济的适用于中小型海水淡化。

（2）地热能。地热（温度大约为60℃）可直接用于膜蒸馏工艺（MD）等其他脱盐工艺，多效蒸馏（MED)、多级闪蒸（MSF）可以利用地热能产生的电力进行操作。在使用地热源热水进行海水淡化的情况下水时，地热水通过热交换器循环加热海水和降低压力使多级腔内的水汽化。该先进的技术，以产生大量的脱盐水，加热后的热水循环加热若干次海水。这种方法被称为MED-MSF 法的海水淡化。在地热系统温度较高的情况下，那里的热流体温度较高，超过150℃，可以使用二元发电技术。利用地热发电的海水脱盐是最好的例子之一，工艺预计可每小时产生80m3的饮用水和470 千瓦电力。海水淡化厂有一个双重系统，利用地热水淡化海水使用MED-MSF技术和利用地热产生的电力利用上述其他技术对海水进行脱盐，脱盐水成本预计为11.5 元/立方米。

（3）海洋能。据统计，全球海洋可再生能源的储量有7.66×108MW 之高，技术上是可以开发的，生产能力为6.4×107MW，相当于目前遍布世界各地的发电机装机的生产总容量。从理论上讲，能量是可以被提取出来的，全球的海洋远远超过了当前或未来的任何海洋人类能源需求。因此，利用海洋可再生能源完全可以满足全球能源需求和缓解能源危机下实现可持续发展的前提。目前，潮汐能发电技术已经在各地许多国家商品化。如今很多人认为利用海洋可再生资源脱盐是最具潜力的，可以解决耦合问题、能源和材料问题。当利用海洋可再生能源淡化海水时，海洋热能的流出速度多在蒸汽凝结方面比其他类型更快，这使得它成为该领域中最成熟的海水淡化技术。因此，投资是必要的，海水淡化工程的资本投资力争实现海洋热能产业化应用。

（4）风能。利用风能进行海水脱盐，特别是高风势的沿海地区是一种很有前途的方法。产生的能量通过风力涡轮机产生电能和机械能可用于海水淡化过程（特别是RO 和MVC 方法）。基于小型风力涡轮机，世界各地安装不同的海水淡化装置。与太阳能一样，随着时间的推移，电力输出的波动是其问题之一。太阳能只能在白天用，晚上无法利用，但夜间风速更高，如果我们将太阳能和风能系统结合，优势互补，便能将能源利用的时间和范围得到极大的提升。

3 海水淡化技术的应用

我国海水淡化技术经过近50 年的发展，发展较快，尤其是膜法海水淡化技术，是为数不多的掌握该技术的国家之一。从国家海洋局公布的《2022 年全国海水利用报告》，我国已建成的海水淡化工程112 个，产水规模达到了日产92.69 万吨，最大淡化工程规模日产20 万吨。

3.1 国内海水淡化技术应用案例

2003 年山东荣成市石岛水产供销集团总公司签署了一项协议，该项目是一个反渗透海水淡化示范工程，RO工艺采用的膜组件是美国进口的高性能反渗透海水淡化复合膜元件，平均脱盐率达到99.6%。2009 年成立的青岛百发公司，采用膜法淡化海水技术，其中一种用的是反渗透膜，经过自清洗过滤、UF 超滤、反渗透、矿化等工序，使海水淡化后到达工业用水或者国家生活饮用水的标准，每天产出淡水十万吨，七年的运行改进后淡水产出量大大增加，实现了直接为本地企业提供生产用水，同时为青岛居民生活用水提供了很好的保障，极大地节约了水资源。

3.2 国外海水淡化应用情况

海水淡化在世界各国的海水淡化厂中应用。淡化海水的使用在波斯湾，阿尔及利亚，澳大利亚和西班牙正在显著增长。海水使用仅限适用于沿海地区和沿海地区，而那些远离海洋的海水还得依赖地下的咸水和淡水层。根据国际海水淡化协会（IDA）统计，已成立海水淡化能力从每天500 万立方米1980 年增加到每天8000 万立方米2013 年，大约150 个国家使用了这种方法世界淡水获取。2014 年安装的全部海水淡化设备的价值为大约120 亿美元，2019 年增加到210 亿美元。目前，海水淡化的总容量世界上每天有2300 万立方米的天然气。海水淡化技术已经在许多领域得到了应用在中东等干旱地区，地中海和加勒比大陆。最高的装机容量属于中型海水淡化厂占海水淡化总容量的65%，由于这些地区缺乏淡水资源化石燃料的广泛使用。沙特阿拉伯，阿拉伯酋长国、美国、西班牙和中国的比例最高而印度的海水淡化能力增长最快。

位于澳大利亚西部的南珀斯Kwinana 海水淡化装置是RO 和风力涡轮机组合的成功典范。该基地生产约140ml/d 淡水，为该装置提供所需电力的是一个80 兆瓦的风力发电厂。ENERCON 海水淡化装置是专门设计用于风力发电，结合RO 脱盐装置，可在可变容量（12.5%～100%）运行。它能很好地适应天气条件的变化和风的波动。

4 结语

目前，利用海水淡化技术解决用水紧张是势不可挡的趋势，也是最行之有效的方法。LT-MED、RO 和MSF 技术是最成熟的三大技术，是应用最广泛的，但存在不足之处。随着时代进步，这些技术也在改进，甚至许多新型海水淡化技术层出不穷。总之，理想的海水淡化技术一定是低成本、低能耗、高效率及易操作的，科研人员正在向着这个目标不懈努力。新工艺在技术上更先进、更经济，但大都没有实现工业化应用。随着可再生能源的开发和对更低成本的追求，新能源海水淡化是一个新的发展方向，正处于初始阶段，最大的挑战是能量转换装置的设计，普遍问题是供能不稳定，但是随着技术的深入研究，新能源海水淡化技术将未来可期。