海水淡化技術研究

華麗紅

摘 要： 隨著我國海水淡化技術的成熟，在國家政策扶植的背景下，我國海水淡化行業有望步入快速成長期。目前，海水淡化方法已出現了數十種之多，而適用于大型的海水淡化的方法只有多級閃蒸法、多效蒸餾法和反滲透法。

關鍵詞： 海水淡化；多級閃蒸法；反滲透法

世界上越來越多的人依賴淡化的海水作為飲用和生活用水來源，傳統的海水淡化技術的主要缺點之一是需要耗費大量能源，這在全球能源緊缺的形勢下，必將使海水淡化成本的增加。目前，全球海水淡化廠主要用于生產飲用水，解決全球數億人的供水問題，主要市場集中在中東、美國等地區。隨著我國海水淡化技術的成熟，在國家政策扶植的背景下，我國海水淡化行業有望步入快速成長期。

我國沿海地區人口稠密，經濟發達，水資源需求大，供需矛盾尤為突出，有的城市人均水資源量占有量非常貧乏。沿海地區瀕臨海洋，海水資源豐富，因此走海水淡化之路，是解決缺水問題的重要途徑之一。

一、海水淡化技術概述

所謂海水淡化，其實是從海水中提取淡水的一項復雜而艱難的技術。反過來講，海水淡化過程也可以被看做是一個“海水濃縮”的過程。就拿目前比較流行的反滲透處理法為例吧，當海水從半滲透膜通過時，只有像水分子那樣小直徑的分子可以來去自如，而像鹽分子這樣的大個分子卻只能“吃閉門羹”，被乖乖擋在外面，由此而增加了海水的濃度。科學家們為了保證淡化的質量，防止小孔被過多的鹽分子堵住，濃縮的海水需要被及時帶走。這就導致海水淡化會產生副產品“淡化廢水”，這種廢水既高鹽度，又高堿度，并且其中富含重金屬，對水下生物會造成破壞性很大的影響；如果淡化廢水來自蒸餾淡化水廠，排出的廢水還會改變海洋的溫度，對海底生物產生巨大的影響。

目前，海水淡化方法已出現了數十種之多，但達到商業規模的主要有反滲透法（SWRO）和蒸餾法，也就是常說的“膜法”和“熱法”，其中蒸餾淡化技術又分成多級閃蒸（MSF）、多效蒸餾（MED）和壓汽蒸餾（VC），而適用于大型的海水淡化的方法只有多級閃蒸法、多效蒸餾法和反滲透法。

在熱電廠，海水被加熱生成水蒸汽，然后凝結成淡水，模仿自然界的水循環。還可利用在這種能量密集型的過程中電廠的生產的副產品熱能，這在中東等能源充足且價格低廉的地區尤其受歡迎。另一種主要形式是通過反滲透，用膜過濾水中鹽分和固體顆粒。反滲透膜使用較少的能源，但其制作更困難。

二、淡化水的特性

蒸餾法主要包括MSF和MED兩種方法，MSF和MED得到的淡水水質基本一致，含鹽量低，TDS一般小于10mg/L，pH一般在5.0-6.7之間，Cl-，SO42-，F-，HCO3-等含量都非常低，產品水不含細菌和有害元素。反滲透法的脫鹽率一般可達99%以上，還能夠截留糖類，氨基酸，細菌，病毒等物質，TDS高于反滲透法所得淡化水，一般為20-500mg/L，pH一般在6.0-7.0之間。

海水淡化工程無論采用蒸餾法還是反滲透法，所產淡化水均有一個共同的特征，那就是礦物質含鹽量低，pH呈弱酸性。這樣的水質特征顯然與傳統飲用水水質有較大區別，同時也決定了淡化水的腐蝕性。

三、多級閃蒸工藝

多級閃蒸工藝（MSF）的原理是將海水在一系列壓力逐漸減低的閃蒸室內進行閃蒸，閃蒸室的個數稱為級數，超大型的MSF淡化廠可達50級。

海水首先通過閃蒸室頂部的冷凝管束，在冷凝管束中被各級閃蒸室內生成的逐漸升溫的蒸汽預熱，最后到達鹽水加熱器。鹽水加熱器的加熱蒸汽來自火力發電廠，海水在加熱器內被加熱到最高溫度（90-115℃）后送入第一級閃蒸室。

閃蒸室內的壓力低于海水所對應的飽和蒸汽壓，即海水被送入閃蒸室的溫度高于在閃蒸室內壓力條件下的沸點溫度，因此海水迅速沸騰，一直到溫度降到沸點，一部分海水汽化，生成的蒸汽通過除霧器去除溶解的鹽類物質，最后在頂部的進水冷凝管束表面冷凝后生成淡水被收集。沒有汽化的海水溫度降低，流入到下一個壓力較低的閃蒸室繼續閃蒸的過程，這樣重復蒸發和冷凝的過程持續生成淡化水。

MSF更傳統一些，技術成熟、可靠，運行安全、穩定，其裝置具有大型化和超大型化的特點。由于多級閃蒸工藝將海水的加熱和蒸發分開進行，相對于早期的多效蒸餾工藝，MSF設備的結垢現象較輕且容易去除。

大型的MSF通常設計成濃水循環式系統，回收部分濃水作為系統補充進水，循環一定比例的濃水可以減少蒸汽和海水的需求量，同時還可以減少阻垢劑和消泡劑的使用量。MSF的級數和造水比受到多種因素的影響，通常，在其他因素均相同的情況下，垂直的冷凝管束MSF系統，造水比大約是級數的1/2到1/3，而平行的冷凝管束MSF系統，造水比大約是級數的1/4。

四、多效蒸餾工藝

按多效蒸餾的最高沸騰溫度，分為低溫多效蒸餾和高溫多效蒸餾。高溫多效蒸餾可安排更多的傳熱效數，以達到較高的造水比，因此其熱效率較高。但是，因頭幾效鹽水的蒸發溫度較高，傳熱管表面易結構，腐蝕速度快，對設備的材料要求高，需頻繁清洗設備，對預處理要求也高。針對高溫多效蒸餾的缺點，發展了低溫多效蒸餾技術，其特點是鹽水的蒸發溫度不超過70℃，減緩了設備的腐蝕和結垢問題，同時由于使用了廉價傳熱材料，使得同樣的投資規模可以安排更多的傳熱面積，即使在低溫操作段也可以達到較高的造水比。熱效率高，30余度的溫差即可安排12以上的傳熱效數，從而達到10左右的造水比；操作彈性大，負荷范圍從110%到40%皆可正常操作，不會使造水比下降；動力消耗少，動力消耗為0.9-1.2kWh/t水（不包括海水取水）；前處理比多級閃蒸和反滲透簡單，由于省去了加酸脫氣的過程，化學藥劑消耗遠低于多級閃蒸；系統的操作安全可靠，即便發生傳熱管泄露，僅僅降低一點產量而不會影響水質。與多級閃蒸相比，可以利用溫度更低的蒸汽，有助于提高過程的熱效率。低溫操作時蒸汽比容較大，設備體積較大，從而使造價高；由于高溫高鹽度處理，對設備材料的耐腐蝕要求提高，即使達到10左右的造水比，生產一噸淡水仍需耗用約0.1噸蒸汽，生產成本仍較高。

多效蒸餾適用于結合火電廠或核電廠背壓透平低位熱源的大型海水淡化工程（電水聯產工程）；蒸汽透平低壓抽汽生產高質水，為高中壓鍋爐供水；利用工廠余熱生產優質淡水；原水濃度高于海水的淡化工程，與反滲透結合形成混合流程降低水價等。

五、反滲透工藝

反滲透是一種先進的脫鹽工藝，通常情況下可以脫除水中95%以上的鹽分（三年內）。經過反滲透膜，水中其它殘留的懸浮物、膠體、細菌、病毒基本去除，硬度可以在1mg/L（以CaCO3計）以下。

反滲透的核心部件是反滲透膜。目前主流的反滲透膜均為PA（聚酰胺）材質，早期的醋酸纖維素材質的反滲透膜已經逐步退出市場。

反滲透技術具有工藝簡單、操作方便、易于自動控制、無污染、運行成本低等優點。若與石英砂、活性炭吸附、脫氣、離子交換、UV殺菌等水處理工藝配合使用，則除鹽效果更佳。尤其是當原水含鹽量較高時反滲透膜處理對運行成本影響不大。反滲透技術有效彌補了水回收率低的弊端，并且對于有機物、膠體、微生物、懸浮物等有較好的脫除能力。因此，反滲透技術在海水淡化效率上明顯超過電滲析法。此外，反滲透技術中的膜和膜組件比較成熟，為其在海水淡化中的廣泛應用提供了可靠的技術支持。并且反滲透技術投資和能耗較少，容易實現自動控制，因此較其余膜分離技術和多級閃蒸技術更有優勢。

六、結語

海水淡化技術的開發可以有效降低對地表水源的需求與依賴，同時新水源的開發和蒸汽資源重復利用以及水電聯產的復合型生產模式，可作為循環經濟的典范，最大限度的保護生態環境。隨著我國社會經濟的快速發展，一方面水資源缺乏已成為制約我國沿海地區經濟發展的瓶頸，另一方面中國的海水淡化事業已經有了一定的基礎，在一大批科學技術人才和企業的辛勤努力下，中國的海水淡化必將得到跨越式發展。■