水处理

海水淡化技术研究新进展和发展趋势

2020-02-26 14:25:18 当代电力文化 作者:牛志平

摘要:进入21世纪,由水资源短缺所引发的危机在全球范围内蔓延,发达国家纷纷将目光投向海水淡化,大力发展本国的海水淡化产业。在国家的推动下,我国的海水淡化产业得到较快发展,但由于多方面的制约,我国海水淡化产业的发展状况并不容乐观,我国海水淡化产业只有突破瓶颈才能得到较快发展。

关键词:海水淡化闪蒸反渗透超声纳米

水,从来没有像今天这样受到如此广泛的关注。人们已经意识到了水资源的重要性,其市场价值正在迅速上升。甚至有人说,21世纪的淡水就如同20世纪的石油一样,将成为重要的战略资源。在我国,淡水资源形势十分严峻,既患贫,更患不均。尤其是占国土一半以上的北方地区,生产、生活用水短缺问题已严重影响到国民经济的发展和人民生活的质量。淡水供应的资源性短缺导致地下水连年超采,由此又带来了地面沉降、海水入侵、土地盐碱化等诸多严重问题。然而尽管我国是缺水大国,但同时也是水资源大国。我们缺少的是适合于生产生活直接使用的淡水。我国拥有超过1.8公里的大陆海岸线。在地球水资源总量中占有97%以上份额的海水资源并没有得到充分利用。现在,海水淡化已经发展成为大规模开辟新水源的成熟技术,也是解决沿海地区缺水问题最有效的措施之一。

1海水淡化概况

现代海水淡化技术的大规模应用始于干旱的中东地区,但并不局限于该地区。由于世界上70%以上的人口都居住在离海洋120公里以内的区域,因而海水淡化技术近20多年迅速在世界上许多国家和地区得到

应用。目前海水淡化已遍及全世界125个国家和地区,淡化水大约养活世界5%的人口。海水淡化,事实上已经成为世界许多国家解决缺水问题,普遍采用的一种策略选择,其有效性和可靠性已经得到越来越广泛的认同。

2海水淡化技术的现状

海水淡化方法有数十种,但目前工业上采用的主要是多级闪蒸、反渗透、多效蒸发等。其中又以前两种方法为主,它们占到整个淡化市场份额的85%以上。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,主要在海湾国家采用。反渗透则是将海水加压,使淡水透过半透膜的淡化方法。该方法适应性宽,无论大中小规模,也无论海水或苦咸水都可选用,是近30年发展最快的海水淡化方法。美洲、欧洲和亚洲的大中型海水淡化厂均以反渗透为首选,在海湾国家也有相当规模的应用。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。除以上三种主要的淡化方法外,压汽蒸馏、电渗析也是比较成熟的海水淡化方法,但一般规模不大。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。实际上,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。就主要工艺过程来说,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;脱盐则是通过上列的某一种方法除掉海水中的盐分,是整个淡化系统的核心部分,这一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;后处理则是对不同淡化方法的产品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。

3海水淡化的主要方法

3.1多级闪蒸法

闪蒸是将原料海水加热到一定温度后引入闪蒸室,闪蒸室内压力低于将要进入的盐水所对应的饱和蒸汽压力,热盐水进入后即为过热水而迅速汽化,所产生的蒸汽冷凝后即为所需的淡水。多级闪蒸就是以此为原理,使热盐水依次流经多个温度、压力逐渐降低的闪蒸室,逐级蒸发降温生产淡水。

3.2多效蒸馏法

多效蒸馏是使用最早的海水淡化技术,在20世纪60年代前,多效蒸馏一直是最主要的商业化海水淡化技术。其是在单效蒸馏的基础上发展起来的蒸发技术,分低温和高温多效蒸馏。低温多效蒸馏是指盐水的最高蒸发温度不超过70℃的海水淡化方法,其特征是将一系列的水平管或垂直管与膜蒸发器串联起来,并被分为若干效组,后面一效的压力均低于前面一效,从而后面一效的蒸发温度均低于前面一效,利用前一效内加热海水获得的蒸汽作为热源加热后面一效的海水,从而得到多倍于加热蒸汽量的淡化效果。

4海水淡化技术的新发展与趋势

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,近期的发展已经表明,在淡化和水处理方面都将以膜法为主。从装置规模来说,单机日产4~5万吨、或总日产30~40万吨的淡化厂已相继在多处建成或正在兴建。所以大型或超大型化不仅在中东,在其它地区也都是自然的发展趋势。然而建设大型淡化厂的前提在于能源基地的建设。对于膜法,自然要有电力支持,对于蒸馏法则要有大型火电站所提供的低压蒸汽与淡化装置相匹配,而且电、水生产必须联合设计,协调运行。目前一个受人重视的能源措施是核能淡化。核电站可以支持大型反渗透淡化厂的能量需求;而低温核反应堆则可以直接为蒸馏淡化厂提供低压蒸汽。核能淡化厂自然都要求较大的生产规模才可能发挥其规模效益优势。淡化技术本身的研究开发和更新从来没有停止过,尽管上述三项工业应用技术发展势头不减,但一些新的技术也在一定程度上受到重视,如冷冻法、流通电容吸附法、露点蒸发法以及几种方法的集成技术等。现有淡化技术的各个环节也都在不断改进和更新,如低压膜法预处理技术,无论对反渗透还是蒸馏法,都比传统预处理优越。低压膜法预处理既可以缩短工艺,又可以大幅度提高产水率或造水比。反渗透的余压能回收效率从20世纪70年代的30%提高到现在的90%以上,这使得海水反渗透的耗能量和淡水成本大幅降低。纳米复合材料的采用大大提高了膜片强度与耐老化能力,并进而提高了出水率。超声波在反渗透工艺中的应用不但解决膜污染的问题,而且大幅度地提高了产水量,降低了单位出水的能耗。目前各种新型高效和廉价的能量回收装置相继出现,这都为今后海水淡化成本的进一步降低甚至在苦咸水反渗透中广泛采用提供了条件。

5结语

在我国现有经济和技术条件下,海水淡化技术将得到更广泛的应用。改良现有工艺降低海水淡化成本、解决浓盐水排放对环境影响等问题将成为一个时期内海水淡化研究的主要方向。在集中地规模化工业应用中,蒸馏法与反渗透法并重。在分散的家庭终端,反渗透则是主要的发展趋势。


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