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1、1海水淡化技术发展前景展望孔令斌( 泸州天叙天成新能源有限公司 646600 )摘要 本文按技术特征将海水淡化技术分为热法、膜法、电场法、溶剂法四种类型。电场法、溶剂法海水淡化技术还处于实验阶段。热法、膜法海水淡化技术已经实现商业化，处于推广难阶段。难点在于制水成本高。膜法海水淡化技术大幅度降低制水成本很难。现有热法海水淡化技术热量利用效率不高，有大量热量随着浓海水排放而散失。新型热法海水淡化技术和新型太阳能海水淡化技术，将海水分离成淡水和固态盐，没有浓海水排放，热量利用效率达到理论极限，制水成本成倍下降。将成为海水淡化的主流技术，完全能够消除全球水危机。关键词：海水淡化 膜法 热法 太阳能1
2、 引言水危机越来越严重地制约人类社会发展，海水淡化技术是化解水危机的必然选择。太阳能海水淡化是海水淡化技术的起源，在人类还没有出现以前就在地球上进行着。地球就是一个天然的太阳能海水淡化装置。海水吸收太阳能从海面蒸发形成水蒸汽进入大气层，水蒸汽上升到高空冷凝成雨雪落回海面或落到地面。正是落到地面的雨雪实现了自然界的太阳能海水淡化。这些雨雪滋润大地，孕育生命，使地球生机勃勃。人类的生存繁衍也离不开自然界的太阳能海水淡化。随着人口增多和人类活动范围扩大，淡水资源越趋紧缺。模仿自然界的太阳能海水淡化获取淡水成为人类梦想。但是，好梦难圆。人类没有发现经济适用的太阳能海水淡化技术，试图通过其他技术途径制取
3、廉价的淡水。多种海水淡化技术因此相继出现。人类发明了热法、膜法、离子交换法、电渗析法、水合物法、溶剂萃取法等海水淡化技术 1 。目前，实现商业化的却只有热法海水淡化技术和膜法海水淡化技术。太阳能海水淡化技术仍处于研究发展和小型试验阶段 1 。海水淡化技术不能满足社会发展需求的现实引发社会各界对海水淡化技术的高度关注。早在十六世纪，英国女王就颁布过一道命令：对发明廉价海水淡化法的人，给予一万英镑的奖金。至今没有人获得这笔奖金。英国政府宣布女王当年的悬赏仍然有效。2014 年，英国“经度奖”也将开发低成本可持续性海水淡化技术列为六个候选的科学难题之一 2 。现有热法海水淡化技术和膜法海水淡化技术虽
4、然实现了商业化，但是复杂的装置和大量浓海水排放，使其不能满足低成本可持续性的要求。尤其是热法海水淡化排出热浓海水，带走大量热量，造成环境热污染。2014 年，中国人发明的新型热法海水淡化技术将海水分离成淡水和固态盐，热量利用效率大幅提高，环境热污染完全消除 3 。在此基础上，建立了适用于所有热法海水淡化装置的性能评价体系，水热比作为评价指标 4 。新型热法海水淡化技术能广泛利用现有热法海水淡化技术不能利用的工业废水废气余热实现海水固液分离 5 。能实现海水资源综合利用，淡水成本相应降低。能源紧缺、环保压力等因素迫使人类再次重视太阳能海水淡化技术。现有热法海水淡化技术顺理成章地用于太阳能海水淡化
5、技术开发。正因为如此，束2缚了开发太阳能海水淡化技术的思维，找不到新技术路线。如中国海南省建成的太阳能海水淡化示范项目，采用太阳能加热制取蒸汽，通过多效蒸馏法制取淡水的技术路线，工艺流程长，设备数量多，成本不低。中国专利201710028482.5 将太阳能收集、海水蒸发、冷凝潜热回收集中在一个海水蒸发罐中完成，在很小的空间内循环利用冷凝潜热淡化海水 6 。这种太阳能海水淡化装置可用作大型装置，也可用作小型装置。制造成本低，使用简便。为了区别于现有太阳能海水淡化技术，将这项专利技术称为新型太阳能海水淡化技术。中国专利 201710375895.0 使用热源和太阳能协同淡化海水，利用廉价热能，提
6、高了海水淡化装置利用率 7 。新型热法海水淡化技术相对于现有热法海水淡化技术是一次技术飞跃，确立了热法海水淡化技术相对于膜法海水淡化技术的竞争优势。新型太阳能海水淡化技术将广泛用于太阳能和海水资源充足的地区，低成本地制取淡水。模仿自然界的太阳能海水淡化过程获取淡水的梦想将会成真。2 海水淡化技术原理海水淡化过程是没有化学反应热的物理分离过程。利用水蒸发冷凝、凝固液化脱盐，吸热放热是其特征，这类海水淡化技术称为热法海水淡化技术；利用克服渗透压，淡水透过半透膜脱盐，膜选择性透过是其特征，这类海水淡化技术称为膜法海水淡化技术；利用静电力吸附离子脱盐，电场存在是其特征，这类海水淡化技术称为电场法海水淡
7、化技术；利用溶剂形成水合物或萃取脱盐，溶剂存在是其特征，这类海水淡化技术称为溶剂法海水淡化技术。这四种类型的海水淡化技术单独使用或混合使用，形成现有海水淡化技术方案。各类型海水淡化技术遵循各自的物理定律，具有不同的工作原理。如膜法海水淡化技术遵循半透膜两侧存在渗透压的物理定律，其工作原理是加压使淡水透过半透膜而盐不能透过半透膜；热法海水淡化技术遵循水蒸发冷凝和对流换热的物理定律，其工作原理是加热海水蒸发成水蒸汽并冷凝成淡水。电场法海水淡化技术和溶剂法海水淡化技术也遵循相应的物理定律，具有各自的工作原理。因为电场法海水淡化技术和溶剂法海水淡化技术难以投入实际应用，不作进一步探讨。膜法海水淡化技术
8、和热法海水淡化技术都投入了实际应用，但因两者遵循不同的物理定律，具有不同的工作原理，两者的发展前景也不一样。膜法海水淡化技术实施的条件是有半渗透膜、高压泵、复杂的海水预处理设备；热法海水淡化技术实施的条件是有受热面、蒸发面、冷凝换热面、潜热回收设备，简单的海水预处理设备。半渗透膜性能受膜渗透压和膜强度的限制，高压泵的泵压不可能大幅度提高，海水预处理要求高。现有膜法海水淡化技术已经很好地兼顾半渗透膜性能、泵压、海水水质这三个制约因素，技术很成熟。也就是说，现有膜法海水淡化技术发展空间有限。现有热法海水淡化技术很不成熟，主要表现在以下几个方面：1、热浓海水排放污染环境；2 、受热面和蒸发面设置不合
9、理，尤其是多效蒸馏法的受热面和蒸发面很容易重合，容易结垢；3、潜热回收设备不能完全回收潜热；4、不能利用低温热源淡化海水，大量工业热废水热废气的热量无法利用；5、不能高效利用太阳能淡化海水。导致现有3热法海水淡化技术不成熟的原因是其技术路线受限于将蒸汽作为热源的思维模式。采用造水比评价海水淡化装置性能，无形中固化了技术思路，阻碍了热法海水淡化技术发展。大量热量随着浓海水散失，导致现有热法海水淡化技术热量利用效率低。新型热法海水淡化技术没有热浓海水排放，受热面和蒸发面不会重合，潜热全部回收，工业热废水热废气的热量也能充分利用。通过理论分析发现，新型热法海水淡化装置性能的主要影响因素是淡水海水温度
10、差、排盐热损失、蒸馏方式、装置密封性、装置绝热性 4 。新型热法海水淡化技术的热量利用效率达到理论极限 4 。新型太阳能海水淡化技术直接将太阳能转变成热量加热蒸发海水成蒸汽，蒸汽冷凝制得淡水。还有一条技术路线是将太阳能转变成电能，再用电能驱动热泵制热加热蒸发海水，从而制得淡水。如采用碟式太阳能斯特林发电机发电，再用电驱动斯特林热泵制热加热蒸发海水 8 。从理论上讲，斯特林发电机的热机效率可达到 30%左右，热泵制热系数可达到 4，实际加热海水的热量是所耗太阳能的 1.2 倍。这并不违反能量守恒定律，因为热泵制热达到的温度远低于驱动斯特林发电机的热源温度，能将更多的热量从热量流入端输运到热量流出
11、端。但是，斯特林发电机和热泵的高昂成本使其难以实际应用，更没有同新型太阳能海水淡化技术竞争的能力。3 海水淡化技术发展前景展望纵观海水淡化技术发展史，热法、膜法、电场法、溶剂法海水淡化技术随着相关领域的技术进步而出现。热法、膜法海水淡化技术相对成熟，现处于竞争优势地位。在可预见的未来，电场法、溶剂法海水淡化技术很难撼动热法、膜法海水淡化技术的优势地位。就膜法海水淡化技术而言，高压泵技术、能量回收技术很难再有重大突破，膜法海水淡化技术进步主要依靠提高半透膜性能。据说石墨烯是很好的半透膜。但是，石墨烯的应用对膜法海水淡化技术进步能起多大作用还有待实践验证。对于热法海水淡化技术来说，高能耗、热污染是
12、制约现有热法海水淡化技术进步的两大障碍。新型热法海水淡化技术广泛利用钢铁、发电、玻璃等行业废水废气余热淡化海水，将热量分散到淡水中，消除工业余热对环境的热污染 5 。新型太阳能海水淡化技术只需太阳能和海水就能制得淡水。因此，新型热法海水淡化技术和新型太阳能海水淡化技术是将来海水淡化技术发展的主流方向。在沿海地区，利用工业余热和太阳能淡化海水能保证城市淡水供应，解决现在沿海城市缺水问题。采用新型热法海水淡化技术将现有火力发电站钢铁企业等排放的热量用于海水淡化，能获得低价稳定水源。如果还不能满足需要，采用新型太阳能海水淡化技术利用太阳能淡化海水或利用太阳能热能协同淡化海水。不利用侧面吸收太阳光的新
13、型太阳能海水淡化装置高度只有 30cm 至50cm，用支架撑到空中，其下空间还可以充分利用。如在海滨游泳场海滩上建一套新型太阳能海水淡化装置，其下空间可作休闲场地，淡水可供人饮用。建筑物的顶面和东西两侧面都可用作新型太阳能海水淡化装置的太阳光吸收面，淡化海水的同时为建筑物降温。现有晒盐场用新型太阳能海水淡化装置覆盖，实现海水固液分离，不影响盐业生产，并获得大量淡水。在海岛，新型太阳能海水淡化装置是可靠水源。如果在中国南海的海岛上都安装新型太阳能海水淡化装置，形成覆盖中国南海的淡水供应网，中国南海将是世界上水源最充足的地方。新型太阳能海水淡化装置的制造成本和运行费用4很低。其淡水生产成本甚至低于
14、城市自来水生产成本。在中国西北地区，太阳光照强，苦咸水丰富。也可以象沿海地区那样，采用新型热法海水淡化技术和新型太阳能海水淡化技术解决缺水问题。靠近海边的沙漠地区，完全可以采用新型太阳能海水淡化技术，利用太阳能和海水制取淡水，将沙漠改造成绿洲。新型热法海水淡化技术和新型太阳能海水淡化技术完全能够消除全球水危机。4 结论海水淡化技术按技术特征分为热法、膜法、电场法、溶剂法四种类型。电场法、溶剂法海水淡化技术还处于实验阶段。热法、膜法海水淡化技术已经实现商业化，处于推广难阶段。难点在于制水成本高。膜法海水淡化技术很成熟，大幅度降低制水成本很难。现有热法海水淡化技术不成熟，其热量利用效率不高，有大量
15、热量随着浓海水排放而散失。最近几年发明的新型热法海水淡化技术和新型太阳能海水淡化技术，将海水分离成淡水和固态盐，没有浓海水排放，热量利用效率达到理论极限，制水成本成倍下降。新型热法海水淡化技术利用工业热废气废水的热量淡化海水，能够降低制水成本并消除热污染。新型太阳能海水淡化技术可以高效利用太阳能淡化海水，目前处于专利申报阶段。只要投入开发，很快就能实际应用。新型热法海水淡化技术和新型太阳能海水淡化技术将成为海水淡化的主流技术，完全能够消除全球水危机。参考文献1 高从堦 阮国岭 海水淡化技术与工程M 化学工业出版社 20162 赵熙熙 英国设巨奖解决全球头号科学难题J 中国科学报 20143 孔令斌 一种减压蒸馏的海水淡化装置P 中国专利公报 20154 孔令斌 新型热法海水淡化技术工程化问题 J 能源与动力工程 20175 孔令斌 一种利用炉渣热量淡化海水的工艺及设备P 中国专利公报 2016 6 孔令斌 一种太阳能海水淡化装置P 中国专利公报 2017 7 孔令斌 一种热能太阳能双能源海水淡化装置P 中国专利公报 20178 孔令斌 一种太阳能海水淡化厂P 中国专利公报 2014
