海水淡化主要工藝及其應用

　　海水淡化(又稱海水脫鹽)是分離海水中鹽和水的過程。從海水中取出水,或除去海水中的鹽,都可以達到淡化目的。海水淡化的方法,基本上也分為這兩大類。

　　其中得到大規模商業應用的是反滲透法、電滲析法和蒸餾法。

（1）  反滲透法(Reverse osmosis, RO)

在壓力驅動下,海水中的淡水通過半透膜進入膜的低壓側,而海水中的其他組分(如鹽)被阻擋在膜的高壓側並隨濃縮海水排出,從而達到有效的分離。海水淡化時,在海水一側施加大於海水滲透壓的外壓,則海水中的純水將反向滲透至淡水中,此即反滲透海水淡化原理(圖1) 。為了取得必要的淡化速率,實際操作壓力大於5.5MPa。

反滲透法，通常又稱超過濾法，是1953年才開始採用的一種膜分離淡化法。該法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質透過的半透膜，將海水與淡水分隔開的。在通常情況下，淡水通過半透膜擴散到海水一側，從而使海水一側的液面逐升高，直至一定的高度才停止，這個過程為滲透。此時，海水一側高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對海水一側施加一大於海水滲透壓的外壓，那麼海水中的純水將反滲透到淡水中。反滲透法的最大優點是節能。它的能耗僅為電滲析法的1/2，蒸餾法的1/40。因此，從1974年起，美日等發達國家先後把發展重轉向反滲透法。

反滲透海水淡化技術發展很快，工程造價和運行成本持續降低，主要發展趨勢為降低反滲透膜的操作壓力，提高反滲透系統回收率，廉價高效預處理技術，增強系統抗汙染能力等。

圖1 反滲透脫鹽過程

圖2 反滲透膜構造示意圖

圖3 反滲透脫鹽過程

（2）  電滲析法( Electrodialysis,ED)

在直流電場的作用下,離子透過選擇性離子交換膜而遷移,從而使電解質離子自溶液中部分分離出來的過程稱為電滲析(圖2) 。

該法的技術關鍵是新型離子交換膜的研製。離子交換膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片，按其選擇透過性區分為正離子交換膜（陽膜）與負離子交換膜（陰膜）。電滲析法是將具有選擇透過性的陽膜與陰膜交替排列，組成多個相互獨立的隔室海水被淡化，而相鄰隔室海水濃縮，淡水與濃縮水得以分離。電滲析法不僅可以淡化海水，也可以作為水質處理的手段，為汙水再利用作出貢獻。此外，這種方法也越來越多地應用於化工、醫藥、食品等行業的濃縮、分離與提純。

圖4 電滲透脫鹽過程

（3）蒸餾法

蒸餾法的海水淡化原理簡單,即將海水加熱,待水蒸汽冷凝後得到淡水。蒸餾法依據所用能源、設備及流程的不同,分為多級閃蒸(Multi- stage flash distillation,MSF) 、低溫多效(Multiple effect distillation,MED)和蒸汽壓縮蒸餾(Vaporcom-pression,VC)等。其中,低溫多效在70℃以下進行操作,遠低於多級閃蒸110℃左右的蒸汽溫度,有效地避免了無機鹽的結垢,是目前最為適用的蒸發技術之一。同時,它可利用各種形式的低位熱源,如與火電廠或核電廠結合,利用蒸汽輪機的背壓0.02～0.04MPa (絕對壓力)抽氣造水,減少發電損失,提高發電機組的效率(圖3)。

低溫多效

多效蒸發是讓加熱後的海水在多個串聯的蒸發器中蒸發，前一個蒸發器蒸發出來的蒸汽作為下一蒸發器的熱源，並冷凝成為淡水。其中低溫多效蒸餾是蒸餾法中最節能的方法之一。低溫多效蒸餾技術由於節能的因素，近年發展迅速，裝置的規模日益擴大，成本日益降低，主要發展趨勢為提高裝置單機造水能力，採用廉價材料降低工程造價，提高操作溫度，提高傳熱效率等。

圖5 利用蒸汽輪機背壓蒸汽的MED工藝流程

圖6 燃煤電廠低溫多效蒸餾海水淡化裝置

多級閃蒸

所謂閃蒸，是指一定溫度的海水在壓力突然降低的條件下，部分海水急驟蒸發的現象。多級閃蒸海水淡化是將經過加熱的海水，依次在多個壓力逐漸降低的閃蒸室中進行蒸發，將蒸汽冷凝而得到淡水。目前全球海水淡化裝置仍以多級閃蒸方法產量最大，技術最成熟，運行安全性高彈性大，主要與火電站聯合建設，適合於大型和超大型淡化裝置，主要在海灣國家採用。多級閃蒸技術成熟、運行可靠，主要發展趨勢為提高裝置單機造水能力，降低單位電力消耗，提高傳熱效率等。

水電聯產

水電聯產主要是指海水淡化水和電力聯產聯供。由於海水淡化成本在很大程度上取決於消耗電力和蒸汽的成本，水電聯產可以利用電廠的蒸汽和電力為海水淡化裝置提供動力，從而實現能源高效利用和降低海水淡化成本。國外大部分海水淡化廠都是和發電廠建在一起的，這是當前大型海水淡化工程的主要建設模式。

熱膜聯產

熱膜聯產主要是採用熱法和膜法海水淡化相聯合的方式（即MED-RO或MSF-RO方式），滿足不同用水需求，降低海水淡化成本。目前，世界上最大的熱膜聯產海水淡化廠是阿聯富查伊拉海水淡化廠，日產海水淡化水量為45.4萬立方米，其中，MSF日產水28.4萬立方米，RO日產水17萬立方米。其優點是：投資成本低，可共用海水取水口。RO和MED/MSF裝置淡化產品水可以按一定比例混合滿足各種各樣的需求。

此外，以上方法的其他組合也日益受到重視。在實際選用中，究竟哪種方法最好，也不是絕對的，要根據規模大小、能源費用、海水水質、氣候條件以及技術與安全性等實際條件而定。

實際上，一個大型的海水淡化項目往往是一個非常複雜的系統工程。就主要工藝過程來說，包括海水預處理、淡化（脫鹽）、淡化水後處理等。其中預處理是指在海水進入起淡化功能的裝置之前對其所作的必要處理，如殺除海生物，降低濁度、除掉懸浮物（對反滲透法），或脫氣（對蒸餾法），添加必要的藥劑等；脫鹽則是通過上列的某一種方法除掉海水中的鹽分，是整個淡化系統的核心部分，

這一過程除要求高效脫鹽外，往往需要解決設備的防腐與防垢問題，有些工藝中還要求有相應的能量回收措施；後處理則是對不同淡化方法的產品水針對不同的用戶要求所進行的水質調控和貯運等處理。海水淡化過程無論採用哪種淡化方法，都存在著能量的優化利用與回收，設備防垢和防腐，以及濃鹽水的正確排放等問題。

海水淡化技術的發展與工業應用，已有半個世紀的歷史，在此期間形成了以多級閃蒸、反滲透和多效蒸發為主要代表的工業技術。專家普遍認為，今後三、四十年在工業應用上，仍將是這三項技術「唱主角」，但反滲透的比重將越來越大。從地區上來講，中東海灣國家仍將以多級閃蒸為首選，因為它具有大型化和超大型化（單臺設備產水量目前已高達日產淡水4～5萬噸）、適應於汙染重的海灣水以及預處理費用低的優勢；然而在中東以外地區將以反滲透或膜法為首選，因為膜法的能耗和成本都具有優勢，以北美地區為例，近期的發展已經表明，在淡化和水處理方面都將以膜法為主。

轉載：SDPLAZA海水淡化網

日前，國家海洋局發布了《2015年全國海水利用報告》（以下簡稱《報告》），涵蓋了海水淡化、海水直接利用、海水化學資源利用、檢驗與標準、政策與管理等方面的內容。

　　與往年相比，2015年全國海水利用有哪些變化，呈現出什麼特點，還有哪些因素制約著海水利用產業的發展？針對上述問題，記者採訪了國家海洋局科學技術司、國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所有關負責人，請他們進行相關解讀。

海水利用產業有新進展

　　2015年，海水利用產業進一步得到推進，全年實現增加值14億元，同比增長7.8%。沿海各地不斷推進產學研用結合，正在建設海水利用創新及產業化基地，中小型海水淡化關鍵裝備、濃海水綜合利用產業化技術等取得突破。新發布標準13項，包括國家標準3項、行業標準10項。    海水淡化：截至2015年年底，全國已建成海水淡化工程121個，產水規模為100.88萬噸/日，最大海水淡化工程規模為20萬噸/日。全國已建成萬噸級以上海水淡化工程31個，千噸級以上、萬噸級以下海水淡化工程36個，千噸級以下海水淡化工程54個。

（全國已建成海水淡化工程產水用途分布圖）

　　海水直接利用： 2015年海水冷卻技術在我國沿海火電、核電、石化等行業得到廣泛應用，年利用海水量穩步增長。截至2015年年底，年利用海水作為冷卻水量為1125.66億噸，其中2015年新增用量116.66億噸。

　　海水化學資源利用：除海水製鹽外，我國海水提鉀、提鎂、提溴等也發展較快，產品主要包括溴素、氯化鉀、氯化鎂、硫酸鎂。其中，在濃海水綜合利用及產品高值化產業化技術研究方面取得較大進展。

全國日產規模首次超百萬噸

　　2015年海水利用海水淡化工程總規模與2014年相比有所擴大，2015年總規模為100.88萬噸/日，新增規模6.662萬噸/日。

全國海水淡化工程規模增長圖

全國沿海省市海水淡化工程分布圖

　　對於近年來我國海水淡化工程規模不斷增長的原因，國家海洋局科學技術司有關負責人解釋說，我國海水淡化產業得到國家高度關注和支持，沿海和地方有關部門推動海水利用工作的意識更加主動，福建、天津、青島出臺了專門的規劃和政策推動海水利用技術創新。推動海水利用產業發展的舉措更為具體，效果顯著。

　　例如，一些工業園區開展了淡化水與企業用戶點對點的供水，還有的地方採取了海水淡化和自來水公司一體化運營的模式，進行自來水和淡化水的混合應用。同時，海水淡化規模的提升與我國經濟社會發展和沿海產業結構調整、用水需求密切相關。

　　《報告》顯示，我國海水淡化主要採用反滲透和低溫多效蒸餾海水淡化技術，產水成本每噸5元～8元。該負責人說：「海水淡化水的成本主要包括投資成本、運行維護成本和能源消耗成本。降低淡化水價格，一方面要靠技術進步，另一方面要靠政策支持。例如，浙江省海水淡化用電是按照農業用電標準收取電價的。」

產業發展面臨諸多制約因素

　　截至2015年年底，海水淡化水用於工業用水的工程規模佔總工程規模的67.14%。用於居民生活用水的工程規模佔總工程規模的32.84%。用於綠化等其他用水的工程規模佔總工程規模的0.02%。

　　有關負責人分析認為，目前制約我國海水淡化產業發展的原因有4點：一是海水淡化水價格偏高，跟自來水水價相比競爭力不強。二是我國海水淡化自主創新能力與國外還有一定差距。當前，我國很多海水淡化關鍵的技術和設備還依賴進口，研製的關鍵技術、裝備、設備以及首臺套示範工程難以落地。三是海水利用的管理機制和政策還有待完善，特別是海水淡化水納入水資源配置體系政策機制還有待完善。四是社會公眾對海水淡化水的認識還不夠，對淡化水作為戰略性水源的認識還不到位。

　　據國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所有關負責人介紹，我國海水淡化技術起步於上世紀60年代，近年來得到了較大發展。目前，我國在河北、浙江建成了具有自主智慧財產權的萬噸級海水淡化工程。但是與國際前沿相比，我國海水淡化技術在基礎研究方面還相對薄弱，整體技術水平還有待進一步提升，比如在高性能材料、節能工藝、專用藥劑、關鍵設備，大型海水淡化系統集成方面還存在差距。

　　「下一步要持續開展海水利用關鍵技術的攻關，開展戰略性、基礎性、前瞻性的技術研發。同時，充分發揮政府和市場的作用，進一步推進海水示範工程建設，特別是通過海水利用示範工程建設對我國自有技術進行驗證，進一步完善產業鏈，培育龍頭企業，提升國產技術和裝備的應用水平和國際競爭力。」該負責人說。

多舉措推動海水淡化規模化應用

　　國家海洋局科學技術司負責人表示，國家海洋局將從６方面推進海水淡化規模化應用：一是編制發展規劃。近期，根據我國海水利用產業發展的迫切需求，國家海洋局聯合國家相關部門，組織專家正在編制我國「十三五」海水利用規劃，堅持創新驅動、統籌協調，擴大海水利用規模。

　　二是推動海水淡化水納入水資源整體配置體系。2015年，大連、天津、廈門開展了有關海水淡化水納入水資源配置體系試點工作。今年，正在沿海11個省（區、市）和5個計劃單列市開展試點研究，指導海水淡化產業健康發展。

　　三是拓寬財政投入渠道。海水淡化技術已納入科技部重點研發計劃，國家海洋局將組織相關科研力量，積極爭取承擔科研項目，使海水淡化技術有所提升。

　　四是完善標準體系。國家海洋局將圍繞產業發展需求，著力從資源開發、環境保護、安全供給及產業發展等方面研究制定海水淡化水質標準，以及海水淡化能耗、限值、關鍵裝備、材料、系統設計和運行監測等方面的國家與行業標準和制度，從而更好地引導海水利用產業發展。

　　五是進一步加強宣傳力度、強化輿論導向，通過編制科普讀物，利用報刊網絡等媒體，深入開展海水淡化技術的科普宣傳，使公眾對海水淡化有客觀、科學的認識，從而消除疑慮。

　　六是繼續開展國際合作。今後5年，我國將利用環印度洋地區合作聯盟、中非合作論壇以及亞太脫鹽協會已經形成的合作平臺和機制，通過召開學術會議、開展培訓，進一步夯實國際合作，引進吸收國際先進技術，同時推動我國自主的海水利用技術裝備走出國門。

（中國海洋報記者　方正飛）

（編輯：鄭雅楠　審核：金昶）

近年來世界上海水淡化正向高效化、低能化和規模化的目標發展，反滲透（SWRO）、多級閃蒸（MSF）和多效蒸發（MED）更成為適用於大型海水淡化技術的主流。

MSF近年主要進展在：單機容量進一步擴大，系統設計最佳化、管理軟體化、操作自動化；採用聚羧酸酯等新型防垢、抑垢和分散劑，可提升運行溫度；開發新興高級奧氏不鏽鋼代替鎳基合金，提高運行可靠性、穩定性；工藝改進，有利降低能耗使目前總體水平處於10—14kwh/m淡水狀態。

MED方法的主要進展在低溫多效操作技術的開發，以減少結垢、腐蝕，降低成本，通常能夠在6.0—8.0kwh/m3。

SWRD技術從膜、組件和工藝已日趨成熟，近年來重大進展在於功能交換器和壓力交換器的成功開發，可使能量回收高達90%以上，從而使其能耗降至3.8～4.3kwh/m3淡水。

近年國際海水淡化項目招標中，總以工程投資最低、造水能耗最低、運行成本最低，以及建設周期最短和佔地面積最少等優勢為基本條件和要求。

總之，海水淡化既是水資源開發的重要途徑，而且夢已成真、可望可即。可以肯定，隨著陸用水資源的日漸枯竭，海洋必將成為海水淡化技術大有用武的主戰場。

圖12 海水淡化市場分布

海水淡化的潛在大市場海水淡化業市場主要包括有工程設計、設備製造、工程安裝、淡化水產品提供、技術服務等等。

從國際市場方面來看，20世紀70年代以來，大多數沿海國家由於水資源問題日益突出，都直接捲入了海水淡化的發展潮流。無論是中東的產油國還是西方的發達國家，都建設有相當規模的海水淡化廠或海水淡化示範裝置，北歐、南美和東亞地區每年海水淡化設備進口和工程安裝市場有近100億美元，且仍在高幅增長之中，南亞、中亞和非洲也有眾多的海水淡化潛在用戶。海水淡化的國際市場規模巨大。

轉載：馬後炮化工