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海水淡化技術介紹

點擊數: 3630   發布時間: 2013-03-28 11:08:00   信息來源: 海水淡化技術國內進展及其在循環經濟中的應用---阮國玲

地球表面2/3的面積被水覆蓋,但水儲量的97%為海水和苦咸水,這些水是很豐富的。但是,要利用海水必須經過淡化。目前,全世界有一百二十多個國家和地區采用海水或苦咸水淡化技術取得淡水。據統計,海水淡化系統與生產量以每年10%以上的速度在增加。亞洲國家如日本、新加坡、韓國、印尼與中國等也都積極發展或應用海水淡化做為替代水源,以增加自主水源的數量。海水淡化的技術主要有蒸餾、凍結、反滲透、離子遷移、化學法等辦法。海水淡化雖然耗電耗能,成本很高,但是意義重大。有人估計,海水淡化可能是21世紀誕生出的一種新型的生產淡水的未來水產業。

第一個海水淡化工廠于1954 年建于美國,現在仍在得克薩斯的弗里波特(Freep-ort)運轉著。佛羅里達州的基韋斯特(Key West)市的海水淡化工廠是世界上最大的一個,它供應著城市用水。  

1960年,美國的索里拉金博士在實驗室研制出第一張反滲透膜,一種新的海水淡化方式問世了,這就是反滲透法。這種方法利用半透膜來達到將淡水與鹽分離的目的。在通常情況下,半透膜允許溶液中的溶劑通過,而不允許溶質透過。由于海水含鹽高,如果用半透膜將海水與淡水隔開,淡水會通過半透膜擴散到海水的一側,從而使海水一側的液面升高,直到一定的高度產生壓力,使淡水不再擴散過來。這個過程是滲透。如果反其道而行之,要得到淡水,只要對半透膜中的海水施以壓力,就會使海水中的淡水滲透到半透膜外,而鹽卻被膜阻擋在海水中。這就是反滲透法。反滲透法最大的優點就是節能,生產同等質量的淡水,它的能耗僅為電滲析法的1/2,為蒸餾法的1/40。因此,從1974年以來,世界上的發達國家不約而同地將海水淡化的研究方向轉向了反滲透法。    

反滲透海水淡化技術發展很快,工程造價和運行成本持續降低,主要發展趨勢為降低反滲透膜的操作壓力,提高反滲透系統回收率,廉價高效預處理技術,增強系統抗污染能力等。
     
其他主流海水淡化法還有:
    
太陽能法:人類早期利用太陽能進行海水淡化,主要是利用太陽能進行蒸餾,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。餾系統被動式太陽能蒸餾系統的例子就是盤式太陽能蒸餾器,人們對它的應用有了近150年的歷史。由于它結構簡單、取材方便,至今仍被廣泛采用。目前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。與傳統動力源和熱源相比,太陽能具有安全、環保等優點,將太陽能采集與脫鹽工藝兩個系統結合是一種可持續發展的海水淡化技術。太陽能海水淡化技術由于不消耗常規能源、無污染、所得淡水純度高等優點而逐漸受到人們重視。
  

低溫多效:低溫多效蒸餾是蒸餾法中最節能的方法之一。低溫多效蒸餾淡化技術的概念低溫多效海水淡化技術是指鹽水的最高蒸發溫度低于70℃的淡化技術,其特征是將一系列的水平管噴淋降膜蒸發器串聯起來,用一定量的蒸汽輸入通過多次的蒸發和冷凝,后面一效的蒸發溫度均低于前面一效,從而得到多倍于蒸汽量的蒸餾水的淡化過程。低溫多效蒸餾技術由于節能的因素,近年發展迅速,裝置的規模日益擴大,成本日益降低,主要發展趨勢為提高裝置單機造水能力,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備,包括供汽系統、布水系統、蒸發器、淡水箱及濃水箱,供汽系統的生蒸汽入口置于中間效蒸發器上。工作方法為:(1)布水系統對海水進行噴淋;(2)輸入生蒸汽到中間效蒸發器的蒸發管內部;(3)蒸汽在蒸發管內冷凝傳出熱量,蒸發管外吸收熱量產生蒸發;(4)新蒸汽輸送至其兩側的蒸發管內;(5)管內發生冷凝,管外吸收熱量、產生蒸發;(6)各效蒸發器重復蒸發和冷凝過程;(7)蒸餾水進入淡水箱;(8)濃鹽水進入濃水箱。
    
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,部分海水急驟蒸發的現象。多級閃蒸海水淡化是將經過加熱的海水,依次在多個壓力逐漸降低的閃蒸室中進行蒸發,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量最大,技術最成熟,運行安全性高彈性大,主要與火電站聯合建設,適合于大型和超大型淡化裝置,主要在海灣國家采用。多級閃蒸技術成熟、運行可靠,主要發展趨勢為提高裝置單機造水能力,降低單位電力消耗,提高傳熱效率等。 

電滲析法:該法的技術關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,按其選擇透過性區分為正離子交換膜(陽膜)與負離子交換膜(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,也可以作為水質處理的手段,為污水再利用作出貢獻。此外,這種方法也越來越多地應用于化工、醫藥、食品等行業的濃縮、分離與提純。

實際上,一個大型的海水淡化項目往往是一個非常復雜的系統工程。就主要工藝過程來說,包括海水預處理、淡化(脫鹽)、淡化水后處理等。其中預處理是指在海水進入起淡化功能的裝置之前對其所作的必要處理,如殺除海生物,降低濁度、除掉懸浮物(對反滲透法),或脫氣(對蒸餾法),添加必要的藥劑等;脫鹽則是通過上列的某一種方法除掉海水中的鹽分,是整個淡化系統的核心部分,這一過程除要求高效脫鹽外,往往需要解決設備的防腐與防垢問題,有些工藝中還要求有相應的能量回收措施;后處理則是對不同淡化方法的產品水針對不同的用戶要求所進行的水質調控和貯運等處理。海水淡化過程無論采用哪種淡化方法,都存在著能量的優化利用與回收,設備防垢和防腐,以及濃鹽水的正確排放等問題。
  

海水淡化技術的發展與工業應用,已有半個世紀的歷史,在此期間形成了以多級閃蒸、反滲透和多效蒸發為主要代表的工業技術。專家普遍認為,今后三、四十年在工業應用上,仍將是這三項技術“唱主角”,但反滲透的比重將越來越大。從地區上來講,中東海灣國家仍將以多級閃蒸為首選,因為它具有大型化和超大型化(單臺設備產水量目前已高達日產淡水4~5萬噸)、適應于污染重的海灣水以及預處理費用低的優勢;然而在中東以外地區將以反滲透或膜法為首選,因為膜法的能耗和成本都具有優勢,以北美地區為例,近期的發展已經表明,在淡化和水處理方面都將以膜法為主。

海水淡化現狀
    
目前,全球海水淡化日產量約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,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濟效益并不高。沙特阿拉伯的海水淡化廠占全球海水淡化能力的24%。阿拉伯聯合酋長國的杰貝勒阿里海水淡化廠第二期是全球最大的海水淡化廠,每年可產生3億立方米淡水。

我國海水淡化發展
    
中國海水淡化技術是在政府支持和國家重點攻關項目驅動下發展起來的,電滲析、反滲透和蒸餾法(多級閃蒸、壓氣蒸餾和低溫多效蒸餾)等海水淡化技術的研究開發,都取得相當大的進展。

     國內最早從事反滲透膜技術的單位主要有杭州水處理中心、大連化物所和甘肅省膜科學技術研究院(蘭州膜科所),“七五”以來,反滲透海水淡化技術的開發研究一直列入國家重點攻關項目。1993年甘肅省膜科學技術研究院在珠海成立了珠海莫高海水淡化設備工程有限公司(珠海市江河海水處理設備工程有限公司前身),開發出第一代商用反滲透海水淡化設備,并于1994年取得國家級新產品稱號,1995年莫高公司在珠海市政府的支持下為我國南沙守礁部隊駐守的六座島礁安裝了每天2噸到10噸的島礁用海水淡化設備。1997年杭州水處理中心在浙江舟山市嵊山鎮建造了500立方米/日反滲透海水淡化示范工程,噸水耗電5.5度以下,技術經濟指標具有同等容量的世界先進水平。進入2000年后,反滲透船用海水淡化設備已成為我國遠洋捕撈、運輸及公務船海洋維權的重要裝備之一,大型海水淡化工程也得到快速發展,目前我國已建和在建的大型海水淡化系統有10多個, 以反滲透法為主,已建成最大反滲透海水淡化工程為5000 m3/d,日產10萬噸、二十萬噸級的海水淡化項目也在籌建中。

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