海水淡化追赶国际需强化创新
■ 青岛科技大学化工学院 岳坤 仇汝臣
大力发展海水淡化技术，优化我国水资源结构，对于缓解沿海地区缺水，促进中西部地区苦咸水、微咸水淡化利用，保障水资源持续利用具有重要意义。随着对淡水的需求不断增加，海水淡化技术的发展又呈现出了一些新的特点。一方面，是对现有工艺技术进行提升，以进一步增大单台产能，降低造水成本；另一方面，是寻求新能源，开发新的节能技术与工艺，以降低运行成本。要达到国际水准，还要进一步强化创新。
三种技术应用占比95%以上
目前，海水淡化的技术主要有：蒸馏法(包括多级闪蒸、低温多效、压汽蒸馏等)、冷冻法(天然冷冻法、人工冷冻法等)、膜分离法(反渗透、电渗析等)、离子交换法和吸附法等。但大规模应用的主流海水淡化工艺技术主要有多级闪蒸、多效蒸馏和反渗透等几种，采用这三种海水淡化工艺技术或工艺技术耦合建造装置的产能占全球总产能的95%以上。
1.多级闪蒸
多级闪蒸(MED)是通过加热至一定温度的海水依次在一系列压力逐渐降低的容器中实现闪蒸汽化，然后再将蒸汽冷凝后得到淡水的过程。多级闪蒸具有传热管内没有相变、单机容量大的特点，其最高淡水产量可以达到76000立方米/天，是迄今为止实现最大单机容量的海水淡化方法。
然而，多级闪蒸也存在很多缺点：操作温度高、设备的腐蚀和结垢速度快，为了避免结垢和腐蚀需要加入大量的化学试剂并采用较贵的耐腐蚀材料；动力消耗大，根据国内外的统计资料，用多级闪蒸制造1吨淡水的动力消耗为3.5～4.5千瓦/小时；操作弹性小，一般为设计值的80%～110%；产品水易受污染，传热管腐蚀穿孔后浓盐水就会泄漏到蒸汽侧，污染产品水；设备投资大，初期建设费用高。
2.低温多效蒸馏
低温多效蒸馏技术(MSF)是在70℃以下低温进行操作，可避免或减缓设备的腐蚀及结垢问题，同时也使廉价传热材料使用成为可能。
该技术可利用各种低温热源：蒸汽、柴油发电机的循环冷却水以及各种工业废热等。
该技术具有以下特点：系统的热效率高，双侧相变传热过程的传热系数高，对于相同温度范围，所需传热面积少于多级闪蒸；系统的动力消耗小，低温多效淡化制造1吨淡水的动力消耗为0.9～1.2千瓦/时，为多级闪蒸的1/3左右；系统的操作弹性大，一般是其设计值的40%～110%。然而，经过现场考察表明：该技术的实际运行成本远高于设计成本，主要是由于低温余热不稳定、效率低等。
3.反渗透法
反渗透法(RO)海水淡化属于膜分离技术，利用选择性半透膜装置，在海水一边施加一个大于渗透压的压力时，海水中的水分子通过渗透膜进入淡水一边，海水中的溶质被渗透膜隔离使得海水浓度增加。海水盐度越高，所需压力越大，所耗能量也就越高。反渗透为无相变过程，能耗低，工程投资及造水成本较低；装置紧凑，占地较少；操作简单，维修方便，淡化规模涵盖大、中、小型。
但反渗透的预处理成本较高，需要消耗大量的化学药剂，对海水的纯净度要求较严格，反渗透膜需要定期更换，在水温低的情况下需加热，如无可利用热源，其制水成本将大幅提高。
新技术有待工业化推广
1.膜蒸馏技术
膜蒸馏技术是膜技术与传统蒸发相结合的新型分离技术。该技术的基本特点为：具有一定温度的热料液被输送至疏水微孔膜表面，与膜的一侧直接接触；膜的另一侧直接或间接地与冷媒接触。由于膜的疏水性，热侧的料液不能透过膜孔，但料液中的易挥发组分可以在膜表面蒸发，并在膜两侧挥发组分蒸汽分压差的驱动下透过膜的微孔，传递至冷侧，而非挥发组分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现了混合物的分离或提纯功能。
膜蒸馏应用于海水淡化过程的优势如下：一是操作条件温和，操作温度低(80℃以下)和常压下运行，对设备要求低、操作简单；二是截留率高，理论上可以达到100%，在海水淡化过程中，只有水蒸气可以透过膜孔，各种盐类离子、大分子、胶体、细菌、病毒等非挥发性物质均被截留；三是适用浓度范围广，不但可以直接用来进行常规海水淡化，也可以有效地处理高浓度海水；四是抗污染性能好，由于膜蒸馏过程所用的膜是疏水膜，表面张力大，相对于亲水膜污染物不容易在膜表面沉积，膜孔不容易堵塞；五是可以有效地利用低品位的热源，在膜蒸馏海水淡化过程无需把海水加热到沸腾，只需维持适当的温差，便可以稳定运行。因此，过程的操作温度比传统的蒸馏技术低，并且可以利用太阳能、地热能、温泉、工厂的余热和温热的工业废水等廉价能源。
2.正渗透技术
相对膜蒸馏技术而言，正渗透是一种更加新颖的膜技术。正渗透是指水从较高水化学势(或较低渗透压)一侧区域通过选择透过性膜流向较低水化学势(或较高渗透压)一侧区域的过程。由于无需外加压力，正渗透技术的节能优势十分明显。但该过程中淡水从原料液转移到驱动液中之后，还需要对驱动液进行脱盐处理，才能达到海水淡化的目的。因而，正渗透技术需结合其他的脱盐技术应用。目前该技术正处于概念研究阶段，尚未有工业应用的报道。
3.改进的MVR技术
蒸汽机械再压缩技术（MVR）是重新利用它自身产生的二次蒸汽的能量，从而减少对外界能源需求的一项节能技术。但该技术用于海水淡化有设备投资较高、设备腐蚀性问题严重等特点。针对上述问题，青岛科技大学化工学院建立MVR蒸发过程的准确计算模型，解决了模拟MVR蒸发的局限性问题；优化设计参数，降低了MVR设备投资和操作费用；采用适合于MVR过程的蒸汽压缩机，提高操作稳定性，降低设备投资；采用高效换热设备，强化换热条件，合理设计换热设备的操作条件(温度、压力等)；合理选择设备材质，降低腐蚀，降低投资；合理设置MVR蒸发不凝气排放问题，以增加传热效果，降低设备投资；合理设置自动控制方法，优化操作条件，降低操作费用等。经过上述改进，可以大幅度降低设备投资和操作费用。
认清差距 强化自主创新
近年来，虽然国内相关单位在海水淡化方面开展了大量的工作，但与国外技术仍存在一定差距。主要表现在以下三方面：
核心技术研究 对低温多效技术的核心部件、材料、水电联产等基础研究有待深入。反渗透膜组件、高压泵、能量回收及水处理药剂等关键部件和材料仍以进口为主，迫切需要形成高压泵、能量回收、膜组件等关键设备的自主技术和批量生产。
产业规模 我国海水淡化工程规模多在千吨级，而国外已达到十万吨级水平，我国海水淡化产水量为15.08×104立方米/天(仅占世界总产量的0.3%)，与国外的差距明显。
实施机制 没有专门机构统筹协调，没有形成产业联盟。海水淡化必须有针对性地在政府指导、行业协调、产业政策、技术创新等方面统筹规划，全面协调各方利益，才能形成合力，促进产业发展。
综上所述，我国海水淡化技术要跟上国外先进国家步伐，要强化关键技术和设备制造的自主研发力度，强化自主创新，不断提高技术创新能力，整合技术、用户、能源供应商、装备制造商和投资商资源，促进强强联合，提高我国海水淡化技术及装备制造的整体水平。
一是重点发展低温多效和反渗透海水淡化技术研究，以及与之配套的关键技术、材料和装备的研发。重点研发和优化与低温多效蒸馏蒸汽喷射装置和布液系统，开发高效、耐蚀、廉价传热材料，研发高性能阻垢药剂，开发装置专用制软件提升控制技术。
二是发展以水电联产、热膜耦合为代表的一体化整合海水淡化技术。
三是研发不同类型的小型淡化装置，为海岛、舰船、石油平台配套，为远海资源开发、深海油气探测、海洋科学考察、海洋维权等提供充足淡水资源。
四是研究海水淡化与新型清洁、可再生能源耦合技术及余热利用海水淡化技术。加快其工业化步伐。采用成熟的海水淡化技术与可再生能源相结合，减少或取消对外来能源的依靠，同时不产生能源的二次污染，也有利于对海洋环境的保护。作为一种新技术，核能海水淡化利用核反应堆，在综合性设备中将再生电能和海水淡化所用的热能结合起来。在温室气体排放及能源费用上都比化石燃料能源具有较强竞争力。
五是研究开发前瞻性海水淡化新技术。