深度解析海水淡化技術(shù)及其發(fā)展應(yīng)用
【tuchai.cn南京純水設(shè)備】海水淡化即利用海水脫鹽生產(chǎn)淡水。是實現(xiàn)水資源利用的開源增量技術(shù)，可以增加淡水總量，且不受時空和氣候影響，可以保障沿海居民飲用水和工業(yè)鍋爐補(bǔ)水等穩(wěn)定供水。
世界上有十多個國家的一百多個科研機(jī)構(gòu)在進(jìn)行著海水淡化的研究，有數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)和不同容量的海水淡化設(shè)施在工作。一座現(xiàn)代化的大型海水淡化廠，每天可以生產(chǎn)幾千、幾萬甚至近百萬噸淡水。水的成本在不斷地降低，有些國家已經(jīng)降低到和自來水的價格差不多。某些地區(qū)的淡化水量達(dá)到了國家和城市的供水規(guī)模。
從海水中取得淡水的過程謂海水淡化?，F(xiàn)在所用的海水淡化方法有海水凍結(jié)法、電滲析法、蒸餾法、反滲透法、以及碳酸銨離子交換法，目前應(yīng)用反滲透膜法及蒸餾法是市場中的主流。
主要用途
海水淡化即利用海水脫鹽生產(chǎn)淡水。南京純水設(shè)備是實現(xiàn)水資源利用的開源增量技術(shù)，可以增加淡水總量，且不受時空和氣候影響，水質(zhì)好、價格漸趨合理，可以保障沿海居民飲用水和工業(yè)鍋爐補(bǔ)水等穩(wěn)定供水。從海水中取得淡水的過程謂海水淡化。
海水淡化主要是為了提供飲用水和農(nóng)業(yè)用水，有時食用鹽也會作為副產(chǎn)品被生產(chǎn)出來。海水淡化在中東地區(qū)很流行，在某些島嶼和船只上也被使用。
常見方法
全球海水淡化技術(shù)超過20余種，包括反滲透法、低多效、多級閃蒸、電滲析法、壓汽蒸餾、露點蒸發(fā)法、水電聯(lián)產(chǎn)、熱膜聯(lián)產(chǎn)以及利用核能、太陽能、風(fēng)能、潮汐能海水淡化技術(shù)等等，以及微濾、超濾、納濾等多項預(yù)處理和后處理工藝。
從大的分類來看，主要分為蒸餾法(熱法)和膜法兩大類，其中低多效蒸餾法、多級閃蒸法和反滲透膜法是全球主流技術(shù)。一般而言，低多效具有節(jié)能、海水預(yù)處理要求低、淡化水品質(zhì)高等優(yōu)點;反滲透膜法具有投資低、能耗低等優(yōu)點，但海水預(yù)處理要求高;多級閃蒸法具有技術(shù)成熟、運行可靠、裝置產(chǎn)量大等優(yōu)點，但能耗偏高。
一般認(rèn)為，低多效蒸餾法和反滲透膜法是未來方向。預(yù)計“十二五”期間，我國海水淡化將達(dá)到150萬-200萬噸/日，是現(xiàn)有產(chǎn)能的三、四倍，投資規(guī)模將達(dá)到200億元左右。
蒸餾法
淡化法是影響海水蒸發(fā)與結(jié)冰速率的主要因素。
海水淡化法工藝之冰—鹽水是一固液系統(tǒng)普通的分離方法均可使冰—鹽水得到分離，但分離方法不同，得到的冰晶含鹽量也不同。實驗結(jié)果表明減壓過濾方法得到的冰晶含鹽量比常壓過濾方法得到的冰晶含鹽量低得多。
海水淡化法工藝之蒸汽冷凝在蒸發(fā)結(jié)晶器內(nèi)，除海水析出冰晶以外，還將產(chǎn)生大量的蒸汽，這些蒸汽必須及時移走，才能使海水不斷蒸發(fā)與結(jié)冰。
反滲透法
通常又稱超過濾法，是1953年才開始采用的一種膜分離淡化法。該法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質(zhì)透過的半透膜，將海水與淡水分隔開的。在通常情況下，淡水通過半透膜擴(kuò)散到海水一側(cè)，從而使海水一側(cè)的液面逐漸升高，直至一定的高度才停止，這個過程為滲透。此時，海水一側(cè)高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對海水一側(cè)施加一大于海水滲透壓的外壓，那么海水中的純水將反滲透到淡水中。南京實驗室純水設(shè)備反滲透法的最大優(yōu)點是節(jié)能。它的能耗僅為電滲析法的1/2，蒸餾法的1/40。因此，從1974年起，美日等發(fā)達(dá)國家先后把發(fā)展重心轉(zhuǎn)向反滲透法。
反滲透海水淡化技術(shù)發(fā)展很快，工程造價和運行成本持續(xù)降低，主要發(fā)展趨勢為降低反滲透膜的操作壓力，提高反滲透系統(tǒng)回收率，廉價高效預(yù)處理技術(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)抗污染能力等。
冷凍法
冷凍海水淡化法原理：海水三相點是使海水汽、液、固三相共存并達(dá)到平衡的一個特殊點。若壓力或溫度偏離該三相點，平衡被破壞，三相會自動趨于一相或兩相。冷凍法，即冷凍海水使之結(jié)冰，在液態(tài)海水變成固態(tài)冰的同時鹽被分離出去。冷凍法與蒸餾法都有難以克服的弊端，其中蒸餾法會消耗大量的能源并在儀器里產(chǎn)生大量的鍋垢，而所得到的淡水卻并不多；而冷凍法同樣要消耗許多能源，但得到的淡水味道卻不佳，難以使用。
冷凍海水淡化法工藝之預(yù)冷海水脫氣后可與蒸發(fā)結(jié)晶器內(nèi)排出的濃鹽水和淡化水產(chǎn)生熱交換，預(yù)冷至海水的冰點附近。冷凍海水淡化法工藝之脫氣由于海水中溶有的不凝性氣體在低壓條件下將幾乎全部釋放,且又不會在冷凝器內(nèi)冷凝。這將升高系統(tǒng)的壓力，使蒸發(fā)結(jié)晶器內(nèi)壓力高于二相點壓力，破壞操作的進(jìn)行。顯然減壓脫氣法適合本系統(tǒng)。
太陽能法
人類早期利用太陽能進(jìn)行海水淡化，主要是利用太陽能進(jìn)行蒸餾，南京純水設(shè)備所以早期的太陽能海水淡化裝置一般都稱為太陽能蒸餾器。
被動式太陽能蒸餾系統(tǒng)的例子就是盤式太陽能蒸餾器，人們對它的應(yīng)用有了近150年的歷史。由于它結(jié)構(gòu)簡單、取材方便，至今仍被廣泛采用。對盤式太陽能蒸餾器的研究主要集中于材料的選取、各種熱性能的改善以及將它與各類太陽能集熱器配合使用上。與傳統(tǒng)動力源和熱源相比，太陽能具有安全、環(huán)保等優(yōu)點，將太陽能采集與脫鹽工藝兩個系統(tǒng)結(jié)合是一種可持續(xù)發(fā)展的海水淡化技術(shù)。
太陽能海水淡化技術(shù)由于不消耗常規(guī)能源、無污染、所得淡水純度高等優(yōu)點而逐漸受到人們重視。太陽能蒸餾法就是采用簡單的太陽能蒸餾器。該蒸餾器由一個水槽組成，水槽內(nèi)有一個黑色多孔的氈心浮洞，槽頂上蓋有一塊透明、邊緣封閉的玻璃覆蓋層。太陽光穿過透明的覆蓋層投射到黑色絕熱的槽底，轉(zhuǎn)換為熱能。因此，塑料芯中的水面溫度總是高于透明覆蓋層底的溫度，水從氈芯蒸發(fā)，蒸汽擴(kuò)散到覆蓋層上冷卻為液體，排入不透明的蒸餾槽中.
多級閃蒸
所謂閃蒸，是指一定溫度的海水在壓力突然降低的條件下，部分海水急驟蒸發(fā)的現(xiàn)象。多級閃蒸海水淡化是將經(jīng)過加熱的海水，依次在多個壓力逐漸降低的閃蒸室中進(jìn)行蒸發(fā)，將蒸汽冷凝而得到淡水。
目前全球海水淡化裝置仍以多級閃蒸方法產(chǎn)量最大，技術(shù)最成熟，運行安全性高彈性大，主要與火電站聯(lián)合建設(shè)，適合于大型和超大型淡化裝置，主要在海灣國家采用。多級閃蒸技術(shù)成熟、運行可靠，主要發(fā)展趨勢為提高裝置單機(jī)造水能力，降低單位電力消耗，提高傳熱效率等。
低溫蒸餾
低溫多效海水淡化技術(shù)是指鹽水的最高蒸發(fā)溫度低于70℃的蒸餾淡化技術(shù)，其特征是將一系列的水平管噴淋降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來，用一定量的蒸汽輸入首效，后面一效的蒸發(fā)溫度均低于前面一效，然后通過多次的蒸發(fā)和冷凝，從而得到多倍于蒸汽量的蒸餾水的淡化過程。
多效蒸發(fā)是讓加熱后的海水在多個串聯(lián)的蒸發(fā)器中蒸發(fā)，前一個蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的蒸汽作為下一蒸發(fā)器的熱源，并冷凝成為淡水。其中低溫多效蒸餾是蒸餾法中最節(jié)能的方法之一。低溫多效蒸餾技術(shù)由于節(jié)能的因素，發(fā)展迅速，裝置的規(guī)模日益擴(kuò)大，成本日益降低，主要發(fā)展趨勢為提高首效溫度，提高裝置單機(jī)造水能力；采用廉價材料降低工程造價，提高操作溫度，提高傳熱效率等。一種低溫多效蒸餾法海水淡化設(shè)備，南京實驗室純水設(shè)備包括供汽系統(tǒng)、布水系統(tǒng)、蒸發(fā)器、淡水箱及濃水箱，供汽系統(tǒng)的生蒸汽入口置于中間效蒸發(fā)器上。工作方法為：
（1）布水系統(tǒng)對海水進(jìn)行噴淋；
（2）輸入生蒸汽到中間效蒸發(fā)器的蒸發(fā)管內(nèi)部；
（3）蒸汽在蒸發(fā)管內(nèi)冷凝傳出熱量，蒸發(fā)管外吸收熱量產(chǎn)生蒸發(fā)；
（4）新蒸汽輸送至其兩側(cè)的蒸發(fā)管內(nèi).管外吸收熱量、產(chǎn)生蒸發(fā)；
（5）各效蒸發(fā)器重復(fù)蒸發(fā)和冷凝過程；
（6）蒸餾水進(jìn)入淡水箱；
（7）濃鹽水進(jìn)入濃水箱。
壓汽蒸餾
蒸餾法是通過加熱海水使之沸騰汽化，再把蒸汽冷凝成淡水的方法。蒸餾法海水淡化技術(shù)是最早投人工業(yè)化應(yīng)用的淡化技術(shù)，特點是即使在污染嚴(yán)重、高生物活性的海水環(huán)境中也適用，產(chǎn)水純度高。
與膜法海水淡化技術(shù)相比，蒸餾法具有可利用電廠和其他工廠的低品位熱、對原料海水水質(zhì)要求低、裝置的生產(chǎn)能力大，是當(dāng)前海水淡化的主流技術(shù)之一。
電滲析法
該法的技術(shù)關(guān)鍵是新型離子交換膜的研制。離子交換膜是0.5~1.0mm厚度的功能性膜片，按其選擇透過性區(qū)分為正離子交換膜（陽膜）與負(fù)離子交換膜（陰膜）。
電滲析法是將具有選擇透過性的陽膜與陰膜交替排列，組成多個相互獨立的隔室海水被淡化，而相鄰隔室海水濃縮，淡水與濃縮水得以分離。電滲析法不僅可以淡化海水，南京純水設(shè)備也可以作為水質(zhì)處理的手段，為污水再利用作出貢獻(xiàn)。此外，這種方法也越來越多地應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的濃縮、分離與提純。
露點蒸發(fā)
露點蒸發(fā)淡化技術(shù)是一種新的苦咸水和海水淡化方法。它基于載氣增濕和去濕的原理，同時回收冷凝去濕的熱量，傳熱效率受混合氣側(cè)的傳熱控制。露點蒸發(fā)淡化技術(shù)是以空氣為載體,通過用海水或苦咸水對其增濕和去濕來制得淡水,并通過熱傳遞將去濕過程與增濕過程耦合,使冷凝潛熱直接傳遞到蒸發(fā)室,為蒸發(fā)鹽水提供汽化潛熱,以提高過程的熱效率。
真空冷凍
真空冷凍海水淡化法工藝包括脫氣、預(yù)冷、蒸發(fā)結(jié)晶、冰晶洗滌、蒸汽冷凝等步驟，海水淡化水產(chǎn)品可達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)，是一種較理想的海水淡化法。
發(fā)展現(xiàn)狀
全球海水淡化日產(chǎn)量約3500萬立方米左右，其中80%用于飲用水，解決了1億多人的供水問題，即世界上1/50的人口靠海水淡化提供飲用水。全球有海水淡化廠1.3萬多座，海水淡化作為淡水資源的替代與增量技術(shù)，愈來愈受到世界上許多沿海國家的重視；全球直接利用海水作為工業(yè)冷卻水總量每年約6000億立方米左右替代了大量寶貴的淡水資源；全世界每年從海洋中提鹽5000萬噸、鎂及氧化鎂260多萬噸、溴20萬噸等。海水淡化需要大量能量，所以在不富裕的國家經(jīng)濟(jì)效益并不高。
作為水資源的開源增量技術(shù)，海水淡化已經(jīng)成為解決全球水資源危機(jī)的重要途徑。到2006年，世界上已有120多個國家和地區(qū)在應(yīng)用海水淡化技術(shù)，全球海水淡化日產(chǎn)量約3775萬噸，其中80%用于飲用水，解決了1億多人的供水問題。
“向海洋要淡水”已經(jīng)形成了方興未艾的產(chǎn)業(yè)。
“中國在反滲透法、蒸餾法等主流海水淡化關(guān)鍵技術(shù)方面均取得重大突破，完成了自主知識產(chǎn)權(quán)的3000立方米/日低溫多效海水淡化工程，以及5000立方米/日反滲透海水淡化工程；南京實驗室純水設(shè)備海水直流冷卻技術(shù)已進(jìn)入萬立方米/小時級產(chǎn)業(yè)化示范階段。中國海水淡化成本逐步下降，已接近5元/立方米。
中國海水淡化雖基本具備了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展條件，但研究水平及創(chuàng)新能力、裝備的開發(fā)制造能力、系統(tǒng)設(shè)計和集成等方面與國外仍有較大的差距。當(dāng)務(wù)之急是盡快形成中國海水淡化設(shè)備市場的完整產(chǎn)業(yè)鏈條。圍繞制約海水淡化成本降低的關(guān)鍵問題，發(fā)展膜與膜材料、關(guān)鍵裝備等核心技術(shù)，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海水淡化新技術(shù)、新工藝、新裝備和新產(chǎn)品，提高關(guān)鍵材料和關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化率，增強(qiáng)自主建設(shè)大型海水淡化工程的能力。
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