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1、海水淡化的概念和意义海水脱盐生产淡水。是指将水中的多余盐分和矿物质去除得到淡水的工序。是实现水资源利用的开源增量技海水淡化即利用术，可以增加淡水总量，且不受时空和气候影响，水质好、价格渐趋合理，可以保障沿海居民饮用水、农业用水和工业锅炉补水等稳定供水。有时食用盐也会作为副产品被生产出来。地球表面虽然2/3被水覆盖，但是97为无法饮用的海水，只有不到3是淡水，其中又有2封存于极地冰川之中。在仅有的1淡水中，25为工业用水，70为农业用水，只有很少的一部分可供饮用和其它生活用途。然而，在这样一个缺水的世界里，水却被大量滥用、浪费和污染。加之，区域分布不均匀，致使世界上缺水现象十分普遍，全球淡水危机
2、日趋严重。目前世界上100多个国家和地区缺水，其中28个国家被列为严重缺水的国家和地区。预测再过2030年，严重缺水的国家和地区将达4652个，缺水人口将达2833亿人。我国广大的北方和沿海地区水资源严重不足，据统计我国北方缺水区总面积达58万平方公里。全国500多座城市中，有300多座城市缺水，每年缺水量达58亿立方米，这些缺水城市主要集中在华北、沿海和省会城市、工业型城市。 随着地球上人口的激增，生产迅速发展，淡水已经变得比以往任何时候都要珍贵。淡水资源紧张是全世界面临的严重问题之一，海水淡化是解决这一问题的根本途径。二、将海水进行淡化处理的原理 海洋水占全球水总储量的97 % ,而人类有
3、近七成居住在距大海不到120公里的地方,因此海水淡化成为新水源开发的必然趋势。海水淡化就是将海水脱除盐分变为淡水的过程。 海水水质的主要特点是: (1) 含盐量高,一般在35g/ L左右 (2) 腐蚀性大 (3) 海水中动、植物多 (4) 海水中各种离子组成比例比较稳定 (5) pH变化小,海水表层pH在811813范围内,而在深层pH则为718左右。 图表 1海水中主要离子成分 海水淡化方法分类及其原理 根据分离过程,海水淡化主要包括蒸馏法、膜法、冷冻法和溶剂萃取法等。蒸馏法海水淡化是将海水加热蒸发,再使蒸气冷凝得到淡水的过程,又可分为多级闪蒸、多效蒸发和压气蒸馏。膜法海水淡化是以外界能量或
4、化学势差为推动力,利用天然或人工合成的高分子薄膜将海水溶液中盐分和水分离的方法,由推动力的来源可分为电渗析法、反渗透法等。冷冻法海水淡化是将海水冷却结晶,再使不含盐的碎冰晶体分离出并融化得到淡水的过程。溶剂萃取法海水淡化是指利用一种只溶解水而不溶解盐的溶剂从海水中把水溶解出来,然后把水和溶剂分开从而得到淡水的过程。 海水淡化的历史可以追溯到公元3世纪,当时的水手用海绵吸收海水蒸发出的水蒸气,然后将凝结的淡水挤出以供旅途之需。海水淡化真正实现装机应用是在18世纪后期。最早的海水淡化处理厂于1881年在地中海马耳他岛上建成,岛上的饮用水大部分来源于海水淡化处理。现代海水淡化方法的早期研究开发中,蒸
5、馏法特别是多级闪蒸法应用最为广泛。近二十年来反渗透技术发展速度很快,在海水淡化领域的总容量已经接近多级闪蒸的容量份额。 第二节海水淡化工艺分析 一、海水淡化的方法 多级闪蒸(MSF) 多级闪蒸是多级闪急蒸馏法的简称。其原理是将原料海水加热到一定温度后引入闪蒸室,由于闪蒸室中的压强控制为低于热盐水温度所对应的饱和蒸气压,所以热盐水进入闪蒸室后即成为过热水而急速地部分汽化,所产生的蒸气在冷却水管外壁冷凝为所需淡水,同时热盐水自身的温度降低。原料海水在进入加热器前作为冷却水冷凝闪蒸室中的蒸气,换热后温度上升,可以节约大量能源。多级闪蒸的整个设备由多个闪蒸室构成,每一级闪蒸室里面可以完成一个完整净化过
6、程。热盐水依次流经若干个压强逐渐降低的闪蒸室逐级蒸发降温,浓度逐级增大,直到温度接近(但高于)天然海水温度。 多级闪蒸技术利用热能和电能,适合于可以利用热源的场合,通常与火力发电站联合建设与运行。由于其技术最为成熟,海水结垢倾向小、设备简单可靠、易于大型化、操作弹性大、运行安全性高以及可利用低位热能和废热等优点,目前多级闪蒸的总装机容量在海水淡化领域仍属第一。 图表 2 多级闪蒸原理示意图 反渗透( RO) 用膜将含盐浓度不同的2种水分开,在含盐的一侧外加一个压力,使之大于膜两侧的渗透压力差,迫使水从高浓度溶液中析出并透过膜进入低盐浓度溶液,这就是反渗透原理。反渗透海水淡化系统如下图所示,由4
7、个主要部分构成: (1)预处理; (2)高压泵; (3)膜组件; (4)后处理。其中,预处理是对进料海水进行处理,通常包括去除悬浮固体,调节pH,添加临界隐蔽剂以控制碳酸钙和硫酸钙结垢等,目的都是为了保护膜。高压泵用于对进料海水加压,使之达到适合于所用膜和进料海水所需要的压力。膜组件的核心是半透膜,它截留溶解的盐类,而允许几乎所有不含盐的水通过。后处理主要是进行稳定处理,包括p H调节和脱气处理等。 图表 3 反渗透系统流程图 作为膜组件的核心,半透膜的材料不断更新以更好地适应工业应用。最早使用的膜材料是醋酸纤维素,后来逐渐被其他的醋酸纤维素、聚酰胺和其他聚合物等各种配料或衍生物取代。20世纪
8、50年代末,劳伯和索里拉金开发了不对称醋酸纤维素膜,将膜材料的发展引入了新的阶段。不对称膜(也称作薄膜复合膜)有2 个连贯的部分:第一部分是与盐水溶液接触的表层(截留层) ,决定膜的性能;另一部分是多孔支撑层,支撑上述表层,同时允许水通过。现在生产中使用的膜绝大部分是不对称膜,它允许被复合的材料具有最佳的表层截留特性,同时背称材料具有防压实的特性。不对称膜可分为固态膜和动态膜2种,前者有4种基本构型:板框式、管式、卷式和中空纤维式。 反渗透工艺中,通过改变膜组件的数量和组合方式可以达到不同的效果。目前的工艺主要有单级、并联、截留级和产品级。单级是最简单的组合,只有一个适当容量的膜组件;并联是指
9、多个膜组件并联以提高产量,系统的脱盐率和回收率不改变;截流级也称多级或串联,从1级截留的浓缩盐水作为第2级的进料水,可以提高系统的回收率;产品级非常适合海水脱盐,从第1级出来的淡水作为第2级的进料液,可以提高脱盐率,同时从第2级出来的截留水还可与原料海水混合进行再处理,提高回收率。反渗透技术只利用电能,适合于有电源的各种场合。由于具有无相变、节省能源、适用于海水和苦咸水淡化等特点,近二十年来反渗透技术发展速度最快,淡化成本也降得最快,其在海水淡化领域的总容量已经接近多级闪蒸的容量份额。冷冻法 冷冻法，即冷冻海水使之结冰，在液态淡水变成固态冰的同时盐被分离出去。冷冻法与 蒸馏法都有难以克服的弊端
10、，其中蒸馏法会消耗大量的能源并在仪器里产生大量的锅垢，而 所得到的淡水却并不多；而冷冻法同样要消耗许多能源，但得到的淡水味道却不佳，难以使用。 太阳能法 人类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，所以早期的太阳能海 水淡化装置一般都称为太阳能蒸馏器。馏系统被动式太阳能蒸馏系统的例子就是盘式太阳能蒸馏器，人们对它的应用有了近150年的历史。由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前对盘式太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它 与各类太阳能集热器配合使用上。与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点， 将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种
11、可持续发展的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。 低温多效 多效蒸发是让加热后的海水在多个串联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽 作为下一蒸发器的热源，并冷凝成为淡水。其中低温多效蒸馏是蒸馏法中最节能的方法之一。 低温多效蒸馏技术由于节能的因素，近年发展迅速，装置的规模日益扩大，成本日益降低， 主要发展趋势为提高装置单机造水能力，采用廉价材料降低工程造价，提高操作温度，提高传热效率等。 电渗析法 该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。离子交换膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片，按其选择透过性区分为正离子交换膜（阳膜）与
12、负离子交换膜（阴膜）。电渗析法是将 具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列，组成多个相互独立的隔室海水被淡化，而相邻隔室 海水浓缩，淡水与浓缩水得以分离。电渗析法不仅可以淡化海水，也可以作为水质处理的手 段，为污水再利用作出贡献。此外，这种方法也越来越多地应用于化工、医药、食品等行业的浓缩、分离与提纯。 压汽蒸馏 压汽蒸馏海水淡化技术，是海水预热后，进入蒸发器并在蒸发器内部分蒸发。所产生的 二次蒸汽经压缩机压缩提高压力后引入到蒸发器的加热侧。蒸汽冷凝后作为产品水引出，如此实现热能的循环利用。 露点蒸发法 露点蒸发淡化技术是一种新的苦咸水和海水淡化方法。它基于载气增湿和去湿的原理，同时回收冷凝去湿的
13、热量，传热效率受混合气侧的传热控制。 水电联产 水电联产主要是指海水淡化水和电力联产联供。由于海水淡化成本在很大程度上取决于 消耗电力和蒸汽的成本，水电联产可以利用电厂的蒸汽和电力为海水淡化装置提供动力，从 而实现能源高效利用和降低海水淡化成本。国外大部分海水淡化厂都是和发电厂建在一起的，这是当前大型海水淡化工程的主要建设模式。蒸馏法 蒸馏法虽然是一种古老的方法，但由于技术不断地改进与发展，该法至今仍占统治地位。 蒸馏淡化过程的实质就是水蒸气的形成过程，其原理如同海水受热蒸发形成云，云在一定条 件下遇冷形成雨，而雨是不带咸味的。根据所用能源、设备、流程不同主要可分设备蒸馏法、蒸汽压缩蒸馏法、多
14、级闪急蒸馏法等。 图表 4 海水淡化方法的分类 图表 5 三种海水淡化工艺关键技术参数对比表 二、影响海水淡化工艺选择的因素 海水淡化方法比较及其发展方向海水淡化的方法有十余种。目前主要方法有多效蒸发（MED）、反渗透（RO）和多级闪蒸（MSF）等，而适用于大型的海水淡化的方法只有MED、MSF和RO。MED方法中低温多效蒸馏（LT-MED）开发后在世界范围内迅速得到了较广泛的应用，与RO和MSF一起成为最具发展前景的海水淡化技术。究竟哪种方法最适合当地经济、社会发展不是绝对的。本文将世界主要三种淡化方法进行比较并结合实践对选择海水淡化方法的依据进行探讨。 目前主要淡化方法的技术原理及应用 近
15、年来世界上海水淡化正向高效化、低能化和规模化的目标发展，MSF、LT-MED、RO更成为适用于大型化海水淡化技术的主流。 MSF方法大规模商业化生产淡水已有30多年，技术成熟，运行安全性高。 LT-MED其特征是将一系列的水平管降膜蒸发器串联起来并被分成若干效组，用一定量的蒸汽输入通过多次的蒸发和冷凝，从而得到多倍于加热蒸汽量的蒸馏水。可作为锅炉的补充用水、生产过程的工艺用水或者大规模的市政饮用水供水。RO主要应用领域有海水和苦咸水淡化，纯水和超纯水制备，工业用水处理，饮用水净化，医药、化工和食品等工业料液处理和浓缩，以及废水处理等。 主要淡化方法的比较及发展方向 2.1 MSF MSF具有工艺成熟，维护量较小，运行可靠，对原水预处理要求低和使
