海水淡化的重要性及其淡化方法

張金菊

(山西國控環(huán)球工程有限公司，山西 太原 030006)

1 海水淡化的重要性

水是生命的基本元素，占地球表面的71%，但并非所有形式的水都適宜人類使用，人類日常用水來源于湖泊、河流、泉水等，這些水源只占地球水資源的3.5%，剩余絕大部分水資源位于海洋中，海洋水的高鹽度使得其無法飲用。因此，海水淡化是一項(xiàng)可持續(xù)的、能夠大幅緩解水資源緊張的合理的解決方案。我國淡水資源總量名列世界第六，但人均占有量僅為世界平均值的1/4，位居世界第109位。為保證我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，水資源問題的解決已迫在眉睫。

解決淡水緊缺問題有很多途徑，兩大途徑分別為“開源”和“節(jié)流”。近年來較多的是“節(jié)流”，根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w的水資源情況分別有蓄水工程、實(shí)施跨流域調(diào)水等；而海水和苦咸水淡化，作為“開源”的重要手段；此外還有污水回用、節(jié)約用水等。

在短短幾十年的時(shí)間里，海水淡化技術(shù)從邊緣行業(yè)迅速崛起為全球性產(chǎn)業(yè)，并日益成為解決城市水資源壓力的技術(shù)管理解決方案的焦點(diǎn)。通過從根本上逆轉(zhuǎn)水文循環(huán)，使水從海洋流向陸地，在鄰近地區(qū)、城市或國家的供應(yīng)中加入脫鹽海水。而過去的幾年間,由于反滲透膜技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)海水淡化的生產(chǎn)成本已經(jīng)大幅下降。在干旱地區(qū)，海水淡化也很有吸引力，因?yàn)榕c其他水資源管理方式相比海水淡化的分歧要小得多，比如蓄水工程和跨流域調(diào)水及污水回用。但此項(xiàng)技術(shù)尚未完全成熟，考慮到海水淡化技術(shù)的更廣泛的潛在影響和風(fēng)險(xiǎn)，復(fù)合水能源需求、增加溫室氣體排放、地緣政治關(guān)系的轉(zhuǎn)變、供水更大程度的私有化和水價(jià)上漲等都是現(xiàn)有的技術(shù)難題，亟待解決[1]。

清潔、安全的水，不僅為我們的日常生活所必須，維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定也必不可少。近年來全球氣候劇烈變化，降水模式也相應(yīng)改變，可利用的水資源越來越少，地下苦咸水資源及海水轉(zhuǎn)化為淡水作為一種新興技術(shù)，雖然要求較高，但面對(duì)氣候轉(zhuǎn)換帶來的負(fù)面影響及本就緊缺的淡水資源，這不失為一種適應(yīng)性選擇。而我國作為海洋大國，海岸線總長達(dá)32 647公里，在西北內(nèi)地常年處于干旱及半干旱的環(huán)境、蓄水工程和跨流域調(diào)水及污水回用受到諸如投資過大成本過高等條件限制的情況下，大力開發(fā)海水及地下苦咸水淡化技術(shù)，通過技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新，解決海水淡化現(xiàn)有的問題和限制，從根本上解決淡水資源匱乏的問題[2]。

2 海水淡化的起源及發(fā)展

海水淡化開始于16世紀(jì)，在船上人們將海水直接蒸發(fā)取得淡水飲用，到十九世紀(jì)，隨著蒸汽輪船的興起，隨之發(fā)展起了蒸發(fā)器，以此為基礎(chǔ)人類開發(fā)出真正的海水淡化裝置在俄國巴庫建成問世了。大規(guī)模的海水淡化裝置二十世紀(jì)中后期，并且海水淡化技術(shù)不僅有蒸餾法，還出現(xiàn)了反滲透法與電滲析法，特別科威特的“多級(jí)閃急蒸餾法”的32級(jí)大裝置，引起世界各地的關(guān)注，并帶動(dòng)海水淡化技術(shù)研究進(jìn)展大大提升[3]。

受到世界各國大氣候的影響及我國部分地區(qū)嚴(yán)重缺水的緊迫，國家對(duì)海水淡化產(chǎn)業(yè)化已非常重視，政府已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到了政策支持對(duì)海水淡化產(chǎn)業(yè)化的重要性和必要性,早已將海水淡化列入《中國21世紀(jì)議程》中。國家、集團(tuán)公司、個(gè)體投資者看好這一行業(yè)者，在政府政策的指引下，積極主動(dòng)投入資金，建立科研機(jī)構(gòu)，引進(jìn)創(chuàng)新人才與技術(shù)，為海水淡化產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)造了基本的的技術(shù)基礎(chǔ)[4]。

隨著海水淡化技術(shù)的不斷發(fā)展，其設(shè)備制造業(yè)也隨之得到蓬勃發(fā)展。各種類型的設(shè)備裝置在國內(nèi)均可設(shè)計(jì)與制造。這樣工業(yè)化成本大大降低，為海水淡化開拓更廣闊的市場打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。海水淡化產(chǎn)業(yè)化作為中國乃至全球范圍內(nèi)新興產(chǎn)業(yè)，在未來必將有突破性的飛躍發(fā)展。

3 海水淡化的方法及比較

海水淡化方法是為分離海水中的淡水和鹽而制成淡水的方法。該方法可分為二類。1) 從海水中分離出淡水的方法，如蒸餾法、反滲透法、水合物法、冰凍法、溶劑萃取法等;2) 除去海水中鹽的方法，如電滲析法、壓滲析法等。實(shí)際上應(yīng)用的規(guī)模化主要方法是蒸餾法、反滲透法和電滲析法。

3.1 蒸餾法

實(shí)用的大規(guī)模蒸餾設(shè)備為多級(jí)閃急蒸餾和多效多級(jí)閃急蒸餾。所謂閃急蒸餾(以下簡稱閃蒸)是利用海水本身在降溫時(shí)放出的顯熱來供給水蒸發(fā)時(shí)所需的熱量。閃蒸過程是在一個(gè)壓力低于與水溫相應(yīng)的蒸汽壓的室內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。若將閃蒸室一個(gè)個(gè)連接起來，且一個(gè)比一個(gè)壓力低，則海水每從一個(gè)壓力較高的閃蒸室流向壓力較低的閃蒸室時(shí)就蒸發(fā)一部分水，而冷凝用的海水逆向上行，回收熱量。這樣就實(shí)現(xiàn)了多級(jí)閃蒸。在一個(gè)室中產(chǎn)生的蒸汽在下一個(gè)室中冷凝，其汽化潛熱用作下一室加熱的熱源，那么每個(gè)室就叫做一效。多效和多級(jí)相結(jié)合的海水淡化法就是多效多級(jí)閃蒸法。它既保留了閃蒸法結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，同時(shí)也保留了多效法的高效率的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 電滲析法

兩種濃度不同的液體通過一張滲透膜時(shí)濃度大的電解質(zhì)穿過膜向濃度小的液體中擴(kuò)散，這種現(xiàn)象稱之為滲析。這一滲析是由于液體濃度不同而發(fā)生的一種自然現(xiàn)象。滲析過程與溶液濃度差大小有關(guān)，濃度差值越大，滲析速度就越快，反之速度越慢，其推動(dòng)力就是濃度差。靠濃度差這種自然滲析效率太低，假如在膜的兩邊增加一直流電場，擴(kuò)散速度會(huì)大大加快，液體中電解質(zhì)離子在直流電作用下，迅速地穿過隔膜，遷移至隔膜的另一邊。這就是電滲析原理。電滲析用于海水淡化，就是用直流電將濃鹽水與淡水分離，從而得到淡水。

一般用于海水淡化的膜為陰、陽離子選擇性膜，是強(qiáng)酸性的陽離子選擇性膜和強(qiáng)堿性陰離子選擇性膜。有均相、異相、半均相等。

3.3 反滲透法

若用一半透膜將一濃溶液和一稀溶液隔開，則稀溶液的溶劑有向濃溶液滲透的傾向。其傾向的大小以滲透壓來度量。滲透壓的大小與二溶液的濃度有關(guān)。若在濃溶液一側(cè)施加一大于滲透壓的壓力，則濃溶液的溶劑能向稀溶液一側(cè)滲透，即為反滲透。反滲透脫鹽率與半透膜的性質(zhì)有關(guān)，其淡水的透過速率和膜性質(zhì)、操作壓力等參數(shù)有關(guān)。由于海水中含鹽量高，在反滲透過程必須用特種高壓泵增壓等特點(diǎn)，因此海水反滲透膜必須具有高脫鹽率，耐腐蝕、耐高壓、抗污染等特點(diǎn)，用于海水淡化的半透膜材料通常是三醋酸纖維素。為了得到較大的產(chǎn)水量，單位容積的淡化器中填充的膜面積必須盡量地大。實(shí)際使用時(shí)采用二種型式：一種是將膜做成中空的纖維;一種是將一長條膜卷成筒狀。前者叫中空纖維式，后者叫卷式。適用面非常的廣，且脫鹽率很高，因此被廣泛使用[5]。

海水淡化需要消耗熱能或電能。反滲透法、電滲析法海水淡化與蒸餾法相比，反滲透法、電滲析法只有電量充足的地方才可以海水淡化，而蒸餾法海水淡化主要是熱能。所以反滲透與電滲析法海水淡化適合有電源的場合，蒸餾法適合有熱源或電源的各種場合。

反滲透技術(shù)在能量回收及滲透膜性能方面飛快發(fā)展，使得不僅海水淡化后水質(zhì)提高了(可達(dá)到自來水水質(zhì)要求)，而且電耗量也不斷降低，生產(chǎn)規(guī)模彈性范圍大，而且占地面積小，但是反滲透需要海水做好預(yù)處理，對(duì)海水中各項(xiàng)指標(biāo)都必須達(dá)到要求，不然會(huì)影響到出水水質(zhì)以及設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)效率等。

蒸餾法技術(shù)傳統(tǒng)成熟，淡化水品質(zhì)高且技術(shù)在技術(shù)不斷地改進(jìn)與發(fā)展，該法至今仍占領(lǐng)先地位。但設(shè)備龐雜，占地面積大。

4 結(jié)語

1) 淡水資源緊缺，直接危及到人們的生活及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而海水淡化是解決水資源問題的重要途徑。

2) 大力發(fā)展海水淡化技術(shù)，加快海水淡化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，對(duì)解決水資源問題具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

3) 海水淡化主要方法由蒸餾法、反滲透法和電滲析法，方法選用根據(jù)當(dāng)?shù)啬茉矗枨罅浚?jīng)濟(jì)狀況等特點(diǎn)選用。