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向71%蓝色进发——漫谈海水淡化技术 u影快播

来 源:中华水网摘自网络   发布时间:2017-08-13 移动版

 

天之蓝  梦之蓝  宽广的情怀 面朝大海  春暖花开


地球上71%的面积被海洋覆盖,但人类生产生活所需的淡水资源却相对匮乏。从数据来看,地球上的水总体积约有13亿8600万立方千米,海洋约占地球总水量为96.53%,湖泊咸水和地下咸水占0.94%,淡水资源只有约3500万立方千米,只占总水量的2.53%,再除去无法取用的冰川和高山冰冠中的水,陆地上可利用的淡水湖、地下水和河流的水量不到地球总水量的 1%。因此,对资源丰富的海水加以开发和利用,使之变成淡水,一直是人们探索的方向。


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海水淡化(sea water desalination)是人类追求了几百年的梦想,它是利用海水脱盐工艺生产淡水,以提供饮用水和工农业用水。这可以增加淡水总量,且不受时空和气候影响,不引入其他杂质,可保证水质优良,保障沿海居民饮用水和工农业用水,有时食用盐也会作为副产品被生产出来,一举两得。


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海水淡化的发展简史及现状

从浩瀚的海洋中去除盐份,提取淡水,这是人类始终不渝的追求。四百年来,作为人类探索海洋的一部分,“海水淡化”这艘大船一直在航行……


15世纪末到16世纪

世界大航海时代,英国王室曾悬赏征求经济合算的海水淡化方法。当时欧洲探险家在漫长的航海旅行中,用船上的火炉煮沸海水后冷却凝结,以制造淡水。这是日常生活的经验,也是海水淡化技术的开始。1560年,世界上第一个陆基海水脱盐工厂诞生在突尼斯的一座海岛上。1675年和1680年海水蒸馏淡化的专利在英国诞生。

17世纪

1675年和1680年海水蒸馏淡化的专利在英国诞生。

18世纪

提出了冰冻海水淡化技术。

19世纪

伴随着蒸汽机的发明,出现了浸没式蒸馏器;1872年,智利研发出了世界首台太阳能海水淡化装置,日产2万立方米淡水;1884年,英国建成第一台船用海水淡化器;1898年,俄罗斯投产了本国第一家基于多效蒸发原理的海水淡化工厂,日产淡水达到1230立方米。

20世纪早期

仅有少数几个国家英国、美国、法国和德国掌握海水淡化设备制造技术,也只有在蒸汽轮船上和中东少数几个港口使用到海水淡化装备。值得称赞的是,1920年前后,中国在山东省威海市刘公岛上已有了一座海水淡化蒸馏塔。

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20世纪50年代后

现代意义上的海水淡化技术则是在第二次世界大战以后才发展起来的。1954年,电渗析海水淡化装置问世。同年,世界上第一座海水淡化工厂建于美国,现在仍在得克萨斯的弗里波特运转着。1957年,多级闪急蒸馏法海水淡化技术(MSF)揭开了海水淡化发展历史上的新一页。1960年,反渗透法海水淡化装置问世。1975年,低温多效海水淡化技术在原有多效蒸馏基础上进行改进后,得到一定规模的推广。20世纪80年代以来,反渗透技术不断取得突破,使其成为耗能最低、投资运行最快的海水淡化技术,得到迅速的发展。



全球海水淡化市场分布

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目前,海水淡化产业及装置已覆盖沙特阿拉伯、以色列、意大利、希腊等中东和地中海沿岸国家、以及美国、英国、中国、日本和澳大利亚等世界150多个国家和地区。

其中,中东地区因水资源严重匮乏,同时又是石油资源富集地区,经济实力雄厚,对海水淡化技术和装置的迫切需求及海水淡化发展的经济基础使得该地区成为目前世界海水淡化装置的主要分布地区,仅这一地区的沙特、阿联酋、科威特、卡塔尔和巴林五国的海水淡化装置总产水量,就占到全球总量的44.3%。

在有些波斯湾沿岸国家,海水淡化量已占本国淡水使用量的80%~90%。与之形成对比的是,全球第一个现代海水淡化工厂的诞生地美国的海水淡化总量仅占到全球的15%,而技术相对发达的欧洲,占比也仅为12%

目前的数据显示,沙特仍然是全球第一大淡化海水生产国,其产量约占全球总产量的18%。2015年,以色列70%的水来自海水淡化,还产生了全球知名的海水淡化公司IDE。

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我国海水淡化技术的发展历程

1920年前后,中国在山东省威海市刘公岛上已有了一座海水淡化蒸馏塔。但我国海水淡化研究则最早于1958年。

1958年,国家海洋局第二海洋研究所首先在我国开展离子交换膜电渗析海水淡化的研究;

1965年山东海洋学院在国内最先进行反渗透CA不对称膜的研究;

1970年,海水淡化会战主力汇集杭州,组织了全国第一个海水淡化研究室;

1981年第一个日产200吨的电渗析海水淡化站在西沙群岛建成;

1982年,中国海水淡化与水再利用学会经中科协学会部批准在杭州水处理技术研究开发中心成立;

1984年,国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所成立,开始蒸馏法海水淡化装置研究;

1985年1月16日,我国第一座海水淡化工厂在西沙群岛永兴岛建成投产。

1987年,大港电厂从美国引进2套3000m3/d MSF海水淡化装置,与离子交换法结合,解决锅炉补给水的供应;

1997年,我国第一套500m3/d反渗透海水淡化装置在浙江舟山嵊山县投产建成,开创了国内海水淡化规模化应用的历史先河;

2000年,河北沧州建设18000m3/d反渗透苦咸水淡化厂;

2003年,山东荣成建成万吨级反渗透海水淡化示范工程;同年,河北黄烨发电厂引进20000m3/d多效蒸馏海水淡化装置;

2004年,我国首台我国自主知识产权的3000m3/d低温多效蒸馏海水淡化工程在山东黄岛;

2005年,《海水利用专项规划》作为第一个指导性纲领文件正式发布。

…………




海水淡化的工艺和方法

一个大型的海水淡化项目往往是一个非常复杂的系统工程。单就工艺过程来说,包括海水预处理、淡化(脱盐)、淡化水后处理等。其中预处理是指在海水进入起淡化功能的装置之前对其所作的必要处理,如杀除海生物,降低浊度、除掉悬浮物(对反渗透法),或脱气(对蒸馏法),添加必要的药剂等。

淡化(脱盐)则是通过某一种或某几种方法结合除掉海水中的盐分,是整个工艺过程的核心部分。常用的脱盐方法有:


1
蒸馏法

四百年前,欧洲航海家在海上,就是利用这种方法获得饮用水。将海水煮沸,再将水蒸气冷凝为液态淡水。这就如同海水受热蒸发上升,形成云,云在高空遇冷形成雨,而雨是不带咸味的。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,该法至今仍占重要地位。

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2
冷冻法

即冷冻海水使之结冰,海水结冰时,其中的水冻结,而将其中的盐分排析出来,这就达到了盐水分离的目的。冰再次解冻后,就是淡水。


冷冻法海水淡化的传统方法有直接接触法、真空法和间接法。工艺主要包括冰晶的形成、洗涤、分离、融化等过程。如果能将LNG冷能利用与传统的冷冻法海水淡化工艺相结合,则能降低装置电耗,简化工艺流程,使冷冻法海水淡化技术呈现新的活力。


蒸馏法与冷冻法都有弊端,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能源,得到的淡水味道却不佳,这是因为还有部分来不及流走的盐分留在冰中,以卤汁的形式被包围在冰晶之间的空隙里形成“盐泡”,因此得到的淡水不存。


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3
太阳能法

人们对它的应用有了近150年的历史,此法是利用太阳能集热器对海水进行蒸馏,由于结构简单、取材方便,至今仍被广泛采用。太阳能海水淡化技术安全、环保,不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高,是一种可持续发展的海水淡化技术。


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4
反渗透法

此法是先将海水提取上来进行降低海水浊度的初步处理后,利用高压将海水压入反渗透膜,降低含盐量,得到淡水。


 渗透现象在自然界是常见的,水分子通常由浓度低向浓度高处流动。比如将一根黄瓜放入盐水中,黄瓜就会因失水而变小。黄瓜中的水分子进入盐水溶液的过程就是渗透过程。但如果在盐水端液面上施加一定压力(超过渗透压),此时,水分子就会由盐水端(高浓度)向纯水端(低浓度)迁移,这就是反渗透。


反渗透法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜,将海水中的盐分和水分子分隔开的。反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1/2,蒸馏法的1/40。

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5
低温多效蒸馏

多效蒸馏是让加热后的海水在一系列水平管喷淋降膜蒸发器中,用一定量的蒸汽输入通过多次蒸发,最终冷凝成为淡水。。因为前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源,所以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。


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6
多级闪蒸

所谓闪蒸,是指一定温度的海水在压力突然降低的条件下,部分海水急骤蒸发的现象。多级闪蒸海水淡化是将经过加热的海水,依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发,将蒸汽冷凝而得到淡水。


目前全球海水淡化装置仍以多级闪蒸方法产量最大,技术最成熟,运行安全性高弹性大,主要与火电站联合建设,适合于大型和超大型淡化装置,降低单位电力消耗,提高传热效率等。


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7

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。


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8
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。


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9
露点蒸发

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热量,传热效率受混合气侧的传热控制。


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10
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。


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11
热膜联产

热膜联产主要是采用热法和膜法海水淡化相结合的方式,满足不同用水需求,降低海水淡化成本。热法和膜法相结合,常用的是多效蒸馏-反渗透(MED-RO)或多级闪蒸-反渗透(MSF-RO)。RO和MED/MSF装置淡化产品水可以按一定比例混合满足各种各样的需求。其优点是:投资成本低,可共用海水取水口。


目前,世界上最大的热膜联产海水淡化厂是阿联酋富查伊拉海水淡化厂,日产海水淡化水量为45.4万立方米,其中,MSF日产水28.4万立方米,RO日产水17万立方米。


此外,以上方法的其他组合也日益受到重视。在实际选用中,究竟哪种方法最好,也不是绝对的,要根据规模大小、能源费用、海水水质、气候条件以及技术与安全性等实际条件而定。


淡化(脱盐)过程除要求高效脱盐外,往往需要解决设备的防腐与防垢问题,有些工艺中还要求有相应的能量回收措施。


淡化水后处理则是对不同淡化方法所获得的淡水,针对不同的用户要求所进行的水质调控和贮运等处理。海水淡化过程无论采用哪种淡化方法,都存在着能量的优化利用与回收,设备防垢和防腐,以及浓盐水的正确排放等问题。


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海水淡化技术的发展与工业应用,已有半个世纪的历史,在此期间形成了以多级闪蒸、反渗透和多效蒸发为主要代表的工业技术。专家普遍认为,今后三、四十年在工业应用上,仍将是这三项技术“唱主角”,但反渗透的比重将越来越大

从地区上来讲,中东海湾国家仍将以多级闪蒸为首选,因为它具有大型化和超大型化(单台设备产水量目前已高达日产淡水4~5万吨)、适应于污染重的海湾水以及预处理费用低的优势。

然而在中东以外地区将以反渗透或膜法为首选,因为膜法的能耗和成本都具有优势,以北美地区为例,海水淡化和水处理方面都以膜法为主。

我国海水淡化技术主要以反渗透和低温多效蒸发为主。


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近些年海水淡化前沿技术


0
1
上海应物所取得碳纳米管海水淡化技术新突破


通过分子模拟,离子在较窄的碳纳米管中遇到较大的能垒而不能通过,而水则没有遇到这样的能垒可顺利通过,所以从理论上看来,碳纳米管似乎非常适合应用于海水淡化领域。科学家们一直期待可以通过碳纳米管制备得到的复合膜来降低海水淡化成本。但实际操作中却并非如此,问题就在于如果碳纳米管足够窄,则水中的盐分被阻挡不能通过,而这些管道也可能被水中的离子阻塞而导致水也无法通过,说明分子模拟对于离子和碳纳米管之间相互作用的描述并不充分。


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上海应用物理研究所研究人员经过探索,改造了碳纳米的结构,防止碳纳米管被阻塞。经改造的碳纳米管的水通过率可以达到40%左右。研究人员还在研究,想通过向碳纳米管施加一个强大的电场可以把离子移位,避开狭窄管道让水分子顺利通过。


0
2
加州大学研发出新型外置复合式抛物面聚光海水淡化系统


2015年,美国加州大学默塞德分校太阳能技术研究所的研发人员开发出了一种名为XCPC的外置复合型抛物面形聚光器,该系统的主要创新点,在于外置复合抛物面形聚光器可以通过收集阳光产生高温,而且可达到的温度要远远高于生产水蒸汽所需要的温度。同时很关键的一点是,集热器不需要使用跟踪系统,没有任何需要活动的组件。事实上,其它大部分可以获得如此高温的太阳能技术都需要使用跟踪系统,一般使用跟踪系统的太阳能集热器对于直射阳光要求很高,而且往往需要在晴朗的天气条件下才能运行,这样导致成本较大。而XCPC集热器则完全不同,在朦胧和多云的天气条件下依然可以正常运行。


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3
美国研发出可大幅提高海淡效率的二硫化钼薄膜


美国伊利诺伊州立大学研究人员发现二硫化钼高能材料可更高效地去除海水中的盐分,通过计算机模拟各种薄膜的海水淡化效率并进行对比后发现,二硫化钼薄膜的效率最高,比石墨烯膜还要高出70%。这种材料只有一个纳米厚,布满了纳米孔,能够渗漏大量的海水,留下盐分和其他成分,达到淡化海水的目的。独特的原子组成结构让二硫化钼膜的透水性大大提升,其单层膜的厚度能极大地减少推压水的能量,进而大幅降低运营成本。研究人员目前正在测试这种材料在海水净化方面的其他性能,比如对于塑料膜而言常发生的污垢堵塞孔洞等问题。


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二硫化钼虽然是一种新材料,但研究人员相信,制造工艺改造后,其高性能带来的应用会很广泛。这项研究俄也为下一代材料的发展奠定了基础。


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4
埃及亚历山大大学新型海水淡化膜技术


2015年9月,来自埃及亚历山大大学的研究人员公布了一种新型低成本的海水淡化膜技术,膜材料价格低廉,同时可以实现低能耗。该技术采用了渗透蒸发(又称渗透汽化,是有相变的膜渗透过程)的技术原理,研究人员开发出醋酸纤维素膜与其它组件相结合,并使用外部热源将膜透过组分汽化,从而达到过滤粒子和盐分的目的。该技术不仅能淡化海水,也能去除海水中的污物。价格低廉低能耗的海水淡化技术,对那些资金匮乏的发展中国家的福音。


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5
印度科学家研发出新型太阳能混合海水淡化系统


2015年,印度科学理工学院研究人员研发出一种太阳能混合海水淡化系统。根据研究人员发布的数据显示,温度为27℃的条件下,利用该混合系统每平方米可以净化大约6.5升的盐水。该混合系统采用了阶梯状的太阳能蒸发器,由一个连一个的半圆形的管道焊接而成,形成一个呈一定倾斜角度的水槽来充当水流通的渠道,同时系统四周安装的真空夹套可以减少热能的损失。据了解,该装置可容纳3-4升待处理的水。该系统利用光伏电池作为能源将水泵进或者泵出整个系统,整个系统就在离网地区也可以实现正常运行。


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6
GE开发迷你3D打印涡轮机降低海水淡化成本


由GE全球研发中心和美国能源部组成的研究团队研发的一种手持式3D打印设备,利用蒸汽汽轮机的原理,有可能使海水淡化变得更为方便,这一概念来自GE科学家的创意。


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在传统的蒸汽涡轮机中,蒸汽凝结会变成水。这种系统通常用于发电,但还可以运行这个流动系统去冻结海水或盐水,而不是把它变成蒸汽。通过冻结混合物,盐会以固体的形式自然分离,只留下冰,而冰融化之后就成了干净的水。这就是冷冻法海水淡化技术的原理。GE全球研发中心科研人员在冷冻法海水淡化技术上标新立异,利用叶轮机械开发一种十分经济的解决方案——涡轮“增压”海水淡化系统。


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该系统通过扩大涡轮机的冷气来冷却咸水或海水滴,这大大降低海水淡化所需要的能源。冷却的气体与海水之间的热传递比传统的热法海水淡化系统更有效率。如果这个手持的3D打印工具能够试制成功,它能够将海水淡化的成本削减高达20%。反过来也将吸引更多的资金被投向海水淡化设备。为加速开发过程,研究团队使用由GE全球研究中心和GE航空材料制造中心开发的技术,打印出3D小型化的部件。也许在不久的将来,我们到海滩上度假,只需这种手持式的工具就行了,随取随用,无需再储运桶(瓶)装水。


大自然给予了丰富的海水资源,以海水淡化为代表的海水利用正成为各地解决沿海水资源短缺的重要途径,前景十分广阔。


截至目前,世界上已有120多个国家的科研机构在进行着海水淡化的研究,并运用海水淡化技术获取淡水,全球有海水淡化厂1.3万多座,日常量可达到6000万立方米左右,其中有80%用于饮用水,相当于0.5%的全球用水量,解决了1亿多人的用水问题。中国海水淡化行业也正处于规模化应用的关键时期,已在沿海多地建成多个海水淡化项目,主要用于工业和生活用水。特别是我国自主研发的低温多效蒸馏海水淡化技术与反渗透海水淡化技术已成功应用于日产万吨级海水淡化工程,多套海水淡化装置出口海外。


随着海水利用技术和关键设备的不断进步,海水利用的成本会大大降低。越来越重视包括海水淡化在内的海洋经济发展。2016年底,随着国家发展改革委和国家海洋局共同印发的《全国海水利用“十三五”规划》公布,海水淡化瞬间站上风口,引发市场高度关注。其中提出,截至2020年,海水利用将实现规模化应用,材料和关键装备实现产品系列化,产业链条日趋完备。也许在不久的将来,我们每天饮用和洗衣用到的自来水就是海水“变”来的。



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