海水淡化技術發展論文

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摘要：由于水資源緊缺問題日益突出，海水淡化技術的研究與開發將越來越顯得緊迫。海水淡化方法有很多種，本文主要介紹真空冷凍法、蒸餾法、電滲析法、反滲透法等。

關鍵詞：海水淡化；真空冷凍；蒸餾；反滲透

隨著世界各國經濟的高速發展以及人口的迅速增長和集中，世界各國對水的需求日益增加，而地球上的淡水資源非常有限，淡水資源缺乏已成為全球性的問題。在尋求淡水資源方面各國紛紛把目光投向大海。據統計目前世界已有100多個國家水，其中嚴重缺水的已達20個，嚴重影響著人類生存和社會發展［!］。海洋中水的儲量為1338×107億m3,占全球的96.8，有著巨大的水資源，如何把它變為能被人類利用的淡水，成為急需解決的問題。

海水淡化就是要將高鹽度的海水通過一系列的過程轉變為低鹽度的海水。目前海水淡化的主要方法有：1）真空冷凍—汽相冷凝海水淡化新技術是依據海水的三相點理論，使海水同時蒸發與結冰得一種低能耗，輕腐蝕結垢的海水淡化方法；2）蒸餾法工藝簡單易于實現，但存在能耗多、成本費用高的缺

點；3）反滲透海水淡化方法是膜分離法的一種，即利用反滲透膜的分離作用使海水脫鹽，過程中不存在相變，因此與蒸餾法相比能耗較低，有著很大的發展前途，成為世界高科技競相開發的熱點。

隨著海水淡化技術的提高及成本的大幅度下降，世界各地正在興建或計劃興建許多大型海水淡化工廠，一個海水淡化的新時代已經來臨。

1真空冷凍及其特點

1.1真空冷凍原理

海水三相點是使海水汽、液、固三相共存并達到平衡的一個特殊點。若壓力或溫度偏離該三相點，平衡被破壞，三相會自動趨于一相或兩相。真空冷凍法海水淡化正是利用海水的三相點原理，以水自身為制冷劑，使海水同時蒸發與結冰，冰晶再經分離、洗滌而得到淡化水的一種低成本的淡化方法。與蒸餾法、膜法相比，能耗低，腐蝕、結垢輕，預處理簡單，設備投資小，并可處理高含鹽量的海水，是一種較理想的海水淡化法［!］。國外早在20世紀60年代就已開始研究，但目前為止尚沒有商業化，主要原因在于過程中產生的三相點蒸汽難以去除和冰晶的輸送、洗滌較難。華東理工大學研究開發的真空凍—汽相冷凝海水淡化技術采用低溫金屬表面，使三相點蒸汽直接冷凝成冰的方法，成功的解決了蒸汽的去除問題，并在實驗室完成了小型試驗裝置。真空冷凍—汽相冷凝海水淡化技術工藝包括脫氣、預冷、蒸發結晶、冰晶洗滌、蒸汽冷凝等步驟，淡

化水產品可達到國家飲用水標準。

1.2工藝研究

1.2.1脫氣

由于海水中溶有的不凝性氣體在低壓條件下將幾乎全部釋放,且又不會在冷凝器內冷凝。這將升高系統的壓力，使蒸發結晶器內壓力高于二相點壓力，破壞操作的進行。顯然減壓脫氣法適合本系統。

1.2.2預冷

海水脫氣后可與蒸發結晶器內排出的濃鹽水和淡化水產生熱交換，預冷至海水的冰點附近。

1.2.3溫度和壓力

它們是影響海水蒸發與結冰速率的主要因素。

1.2.4冰—鹽水是一固液系統

普通的分離方法均可使冰—鹽水得到分離，但分離方法不同，得到的冰晶含鹽量也不同。實驗結果表明減壓過濾方法得到的冰晶含鹽量比常壓過濾方法得到的冰晶含鹽量低得多。

1.2.5蒸汽冷凝

在蒸發結晶器內，除海水析出冰晶以外，還將產生大量的蒸汽，這些蒸汽必須及時移走，才能使海水不斷蒸發與結冰。

2蒸餾法海水淡化及其特點

2.1蒸餾法原理

把海水加熱使之沸騰蒸發，再把蒸汽冷凝成淡水的過程即為蒸餾法。蒸餾法是最早采用的淡化法，其優點是結構簡單、操作容易，所得淡水水質好等。蒸餾法有很多種，如多效蒸發、多級閃蒸、壓氣蒸餾、膜蒸餾等。

2.2蒸餾法特點

多效蒸發是一種較早應用的海水淡化法，由于結垢和腐蝕等問題，后被多級閃蒸法所取代。

2.2.1多級閃蒸

多級閃蒸是一種在20世紀50年展起來的海水淡化法，其原理是海水經過預熱后，進入閃蒸室，該閃蒸室的壓力低于將要進入的鹽水所對應的飽和蒸汽壓力，鹽水進入后即因過熱而進行閃蒸。閃蒸出的蒸汽冷凝后即為淡水。由于它的安全可靠，因此發展迅速，中東許多產油國所建的海水淡化工廠，大多采用多級閃蒸法，并且與發電廠結合。如阿聯酋建造了世界上最大的多級閃蒸海水淡化廠，就是與發電廠聯合生［2］。

2.2.2壓汽蒸餾

利用機械壓縮機把蒸汽壓縮、升壓和升溫（溫度升高10℃左右），并作為加熱和使海水蒸發的熱源，因此壓汽蒸餾在運行后不需外部提供加熱蒸汽，靠機械能轉化為熱能，過程效率高、比能耗低，而且過程不需冷卻水，結構緊湊，但壓汽機造價較高，容易腐蝕、結垢難于進一步大型化。

2.2.3膜蒸餾

熱海水接觸憎水微孔膜，由于膜另一側溫度較低，相應的飽和蒸汽壓亦低，膜面上的海水蒸發并透過膜的微孔到低壓側并在冷凝面凝結為純度較高的淡水。膜只起到汽水分離器和增加蒸發面積的作用。

3電滲析

電滲析是利用具有選擇透過性的離子交換膜在外加直流電場的作用下，使水中的離子定向遷移，并有選擇地通過帶有不同電荷的離子交換膜，從而達到溶質和溶劑分離的過程。電滲析主要有頻繁倒機電滲析（EDR）、填充離子交換樹脂電滲析，電滲析過程對不帶電荷的物質如有機物、膠體、細菌、懸浮物等無脫除能力。因此電滲析用于淡化制備飲用水不是最理想的方法。

4海水反滲透淡化

反滲透海水淡化是一種以壓力為驅動力的膜分離過程，是當今海水淡化領域研究、開發的熱點［3］。

4.1國際反滲透淡化技術發展現狀

目前反滲透膜的脫鹽率高于99.3，透水通量大大增加，抗污染和抗氧化能力不斷提高。反滲透海水淡化的技術進步表現在如下方面：

4.1.1反滲透膜的性能明顯提高

目前的反滲透復合膜系采用芳香族聚胺的材料，特征水通量是1978年的2倍，鹽的透過率大約是1978年的四分之一。

4.1.2功交換器的研制成功

一種新型能量回收裝置已經成功地用于海水反滲透淡化系統上，這種交換器是1998年反滲透海水淡化技術的一個新里程碑。

4.1.3段間能量回收透平的成功應用

段間能量回收透平適合于鹽含量較低的海水淡化系統，它可以增加系統的產水量或降低系統的能量消耗。

4.1.4微濾技術用于海水預處理［4］

采用微濾（或超濾）作為海水反滲透的預處理，不需加入絮凝劑、殺菌劑和余氯脫除劑等化學藥品同時也省去了保安過濾器，此技術由于改進了進水水質，不僅延長了反滲透膜的使用壽命，而且有助于

提高系統的回收率、降低運行費用。

4.1.5納濾技術在預處理中的應用［5］

沙特阿拉伯的SWCC,成功地開發出納濾（NF）作為海水的預處理技術，用于脫除硬度和總溶解固體，從而提高海水反滲透的操作壓力和系統的回收率，保證膜組件的運行安全。

4.1.6淡化成本的明顯下降

由于膜的性能不斷提高，高壓泵和能量回收裝置的性能持續進步，各種預處理新工藝的不斷提出，促使設備的運行管理更為簡單；更由于國際市場一體化的傾向，加大了海水淡化工程公司之間的競爭，使得設備的投資費用不斷降低，從而使反滲透海水淡化的造水成本不斷下降。

4.2國內反滲透海水淡化工程

據初步估計，國內運轉產水量大于100m3／d的反滲透淡化裝置總數量不少于500臺。用于海水淡化的有浙江省山鎮的500m3／d的反滲透淡化工程、浙江省泗縣馬跡山的350m3／d的反滲透淡化工程、以及遼寧省長海縣的1000m3／d的反滲透淡化工程

等。

目前，國內海水所用反滲透復合膜均從國外進口，國產反滲透膜與國外產品還存在一定的差距。反滲透膜是海水淡化的核心，其國產化與產業化若不能解決，勢必影響我國此領域將來的發展。淡化技術的關鍵在于反滲透膜具有較大的透水性和脫鹽率，目前在海水淡化中使用的反滲透膜主要有醋酸纖維素系列膜（CA）和聚酰胺系列膜（PS）。它們均由有機高分子構成，雖然具有制作工藝簡單、成本低等優點，但應用于海水淡化領域也存在著一些不足，如化學穩定性差、機械強度低等。這些缺陷限制了反滲透法處理海水技術的實用化和產業化。無機材料本身性能的優勢，使得無機膜替代有機膜應用在這方面成為可能。預計反滲透技術將是21世紀海水淡化的主要方法，專家普遍認為反滲透海水淡化具有投資費省、能耗低等優點。

5結語

地球上的淡水資源危機今后將愈加嚴重，而海水淡化是解決水問題的唯一途徑。海水淡化的成本是人們最關心的問題，鑒于自來水價格很低，因此淡化成本就不能太高。淡化水的成本是個很復雜的問題，它不僅與淡化方法有關，而且與工藝設計、選材、給水和淡化的水質、比能耗、地理、當地能源價格、投資來源、管理體制有密切關系。比較各種淡化方法，

反滲透淡化法的投資費和運行費都是低的。預計反滲透技術將是21世紀海水淡化的主要方法

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