鄔曉齡，黃肖容，鄧 堯

（華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 工業(yè)催化，廣東 廣州 510640）

海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀及展望

鄔曉齡，黃肖容，鄧 堯

（華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 工業(yè)催化，廣東 廣州 510640）

簡要介紹了各種海水淡化技術(shù)，分析了傳統(tǒng)和新型海水淡化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題。指出發(fā)展具有抗污染性強(qiáng)、高膜通量和 NaCl截留率高特性的膜分離海水淡化技術(shù)和集成海水淡化技術(shù)是未來海水淡化技術(shù)的發(fā)展方向。

海水淡化；膜分離；反滲透；納濾

淡水缺乏成為了 21世紀(jì)的焦點。在地球表面5.1億km2的總面積中，海洋面積為3.6億km2，大約占地球表面積的70.8%。海洋擁有地球總水量的95%，在全球淡水資源緊缺的形勢下，海水淡化日益重要[1]。于上世紀(jì)起，沙特、美國、以色列、新加坡等國家大力建設(shè)海水淡化廠，解決內(nèi)地淡水資源缺乏的現(xiàn)狀。我國淡水資源總量雖世界第六，但水資源的分布很不均衡，人均占有量僅位于世界第109位。目前我國有110個城市嚴(yán)重缺水，主要分布在華北、東北、西北和沿海地區(qū)。為保證我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，緩解當(dāng)代水資源短缺，大力發(fā)展海水淡化技術(shù)產(chǎn)業(yè)來解決淡水資源問題已迫在眉睫。因此，發(fā)展海水淡化技術(shù)，向海洋索取淡水已成為現(xiàn)代社會的當(dāng)務(wù)之急[2]。

1 傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)

海水淡化就是將海水脫鹽生產(chǎn)淡水。海水淡化可以充分利用海水資源，增加淡水總量。海水淡化發(fā)展于二戰(zhàn)以后的擁有豐富能源卻干旱的中東，傳統(tǒng)的海水淡化方法有蒸餾法（又稱熱法）、冷凍法、露點蒸發(fā)法。

蒸餾法是最原始的方法。蒸餾法是通過加熱海水，使水汽化、冷凝而獲得淡水的淡化的一種方法，包括多級閃蒸、多級蒸發(fā)、壓汽蒸溜[3]等。由于地理位置要求有局限性，一般都在沿海地區(qū)設(shè)置水電蒸餾廠。蒸餾法存在設(shè)備造價要求較高、鍋爐易生垢、操作壓力大、耗能大等不可避免的問題。

冷凍海水至結(jié)冰從而使鹽被分離出去，得到淡水的方法即是冷凍法。冷凍法缺點是耗能大且制得的水質(zhì)較差。

2 海水淡化技術(shù)的發(fā)展

海水淡化是一種能源密集型工業(yè)，消耗大。降低傳統(tǒng)方法海水淡化過程的能耗或?qū)ふ铱稍偕茉催M(jìn)行淡水生產(chǎn)是海水淡化技術(shù)發(fā)展的研究熱點。

太陽能法是利用太陽能熱效應(yīng)驅(qū)動的海水淡化方法，將收集到的太陽熱能驅(qū)動海水發(fā)生相變進(jìn)行分離。太陽能較之傳統(tǒng)熱源等更安全、更環(huán)保。蒸餾法中研究最多、技術(shù)上最成熟的是太陽能盤式蒸餾器，此外還有利用煙囪技術(shù)的太陽能海水淡化新技術(shù)[4]。太陽能與脫鹽裝置結(jié)合用于海水淡化得到的淡水純度高；缺點是整個系統(tǒng)的效率低，系統(tǒng)復(fù)雜，造價高。

膜分離具有高效節(jié)能、選擇性好、無相態(tài)和化學(xué)變化及在常溫下操作等優(yōu)點，是繼蒸餾法后的一項重要技術(shù)。膜法淡化海水，主要包括反滲透膜(RO)、電滲析法( ED)和納濾膜法(NF)。

2.1 反滲透膜

20世紀(jì)60年代，Loeb和Sourirajan采用相轉(zhuǎn)化法制備出第一張不對稱醋酸纖維素膜之后，反滲透膜技術(shù)才有了突破性的進(jìn)展[5]。Cadotte J. E.等人[6]以界面聚合法制備出高通量薄層復(fù)合膜，促使了反滲透膜的進(jìn)一步發(fā)展。反滲透法是一種高效節(jié)能技術(shù)。它是利用選擇性半透膜，根據(jù)半透膜兩側(cè)的滲透壓大小，去除海水中鹽類、小分子酸、醛等有機(jī)物和膠體得到淡水。目前最大的反滲透海水淡化廠產(chǎn)水規(guī)模已經(jīng)達(dá)到3.3×105 m3/d。2005年以色列最大的反滲透海水淡化工廠建成[7]，產(chǎn)水量100 Mm3/a。2011年5月以色列投入使用的哈代拉海水淡化廠年產(chǎn)淡水量達(dá)到 1.27億 m3，是現(xiàn)有世界最大反滲透海水淡化廠。反滲透海水淡化技術(shù)發(fā)展很快。電能是反滲透法的主要能耗，設(shè)置能量回收裝置有利于提高系統(tǒng)的效率，可節(jié)能 35%～60%。反滲透法較之傳統(tǒng)的蒸餾法，更加節(jié)能[7]，工程造價和運行成本持續(xù)降低，其發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于蒸餾法。反滲透海水淡化的缺點是操作壓大，膜組件易受到污染，進(jìn)料液濃度有限制以及濃縮液的二次污染問題。如何提高海水預(yù)處理技術(shù)影響到反滲透膜受海水的污染程度，從而影響到反滲透膜系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性[8]。減小反滲透膜操作壓力，提高反滲透膜抗污染性是研究的方向。

2.2 電滲析法

20世紀(jì)初，德國首先開始研究電滲析技術(shù)[9]。電滲析技術(shù)(ED)裝置是將陰、陽離子交換膜交替排列于正負(fù)電極之間，并用特制的隔板將其隔開，形成除鹽淡化和濃縮兩個系統(tǒng)。在直流電場作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，從溶液中把電解質(zhì)分離出來，達(dá)到提純效果。

電滲析最早應(yīng)用于苦咸水淡化。1960年日本開展電滲析技術(shù)濃縮海水制鹽的研究，1972年國會通過了廢除鹽田法制鹽法案以后，電滲析法全部取代了鹽田法[10]。最早的電滲析技術(shù)是填充床電滲析(EDI)，其概念始于1950年，結(jié)合了電滲析和離子交換法的優(yōu)點逐步發(fā)展起來，實現(xiàn)了持續(xù)深度脫鹽，它具有不用酸堿再生、產(chǎn)水周期長、耗電少等優(yōu)點[11]，EDI的缺點是成本高、產(chǎn)生氫氣和易爆炸。從20世紀(jì)50年代至今雙極性膜逐漸發(fā)展起來，雙極性膜電滲析(EDMB)是一種新型離子交換復(fù)合膜，能夠在不引入組分的情況下將水溶液中的鹽轉(zhuǎn)化和分離成相應(yīng)的酸和堿，突出的優(yōu)點就是過程簡單，能效高，廢物排放少。在20世紀(jì)80年代后期，倒極電滲析器的出現(xiàn)[12]，使電滲析的結(jié)垢問題得以解決，廢水回收率高達(dá)80%以上，從而大大推進(jìn)了電滲析技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。我國的電滲析技術(shù)已成功的用于海水淡化、苦咸水淡化和各種純水的制備。電滲析技術(shù)的優(yōu)點是：低能量，藥劑耗量少，環(huán)境污染小，操作簡單，預(yù)處理簡單，具有較強(qiáng)的抗污染能力，水的利用率高。缺點是ED需要在海水淡化室中加入化學(xué)藥劑脫除有機(jī)物、膠體、細(xì)菌和懸浮物等，不適用于制備飲用水[3]。

2.3 納濾膜法

納濾膜作為一種新型膜，較之反滲透膜，在很低的壓力下仍具有較高的脫鹽性能[13]。近年來納濾膜發(fā)展十分迅速。納濾膜的在水處理應(yīng)用方面有很多，如水質(zhì)軟化、凈化，廢水處理；但是在海水淡化方面的應(yīng)用研究相對較少。納濾膜以復(fù)合型為主，在基膜上復(fù)合一個超薄表層。納濾膜制備的基膜主要是選取諸如聚砜、聚醚砜這樣的親水性支撐層，在超濾基膜上覆蓋親水性物質(zhì)薄膜，來提高膜通量和對Mg+，Ca+及Na+等鹽離子的截留率。Eun-Sik Kim[14]等人利用常壓等離子體法對有序介孔碳納米管進(jìn)行改性，增加了膜表面的導(dǎo)電性和高親水性，結(jié)合超聲法，增加材料與水相體系之間的相互作用，從而提高改性介孔碳管在水相中的分

散度。檢測結(jié)果表明對于SO42+二價離子的截留率很高，但是隨著親和介質(zhì)的引入，

膜通量增大，NaCl的截留率卻有所降低。Mohsen Jahanshahi[15]等人分別研究了界面聚合法制備了哌嗪/聚醚砜和聚二乙烯醇/聚醚砜兩種納濾薄膜。Masakoto Kanezashi和Chunlong Kong[16]以聚胺超濾膜為基膜，用界面聚合法將丙酮覆蓋在超濾膜上，制備出丙酮復(fù)合納濾膜(CAIP)。丙酮的引入改變了膜的親水性，提高膜通量。截留鹽分子的濾膜孔徑在0.66nm，NaCl的截留率高達(dá)到98%。研究表明，膜材料、膜結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及表面性質(zhì)等特性都會影響膜的性能，納濾膜通常對多價離子的截留率比對單價離子的脫除率高些。

納濾膜的膜孔徑、操作壓力、通量和淡化率相互影響制約。Mahesh Padaki[17]等人用Al金屬蒸汽相沉積法實現(xiàn)了微孔聚砜基膜向納濾聚砜復(fù)合膜的轉(zhuǎn)換，改變了聚砜膜的親水性，提高了膜的熱穩(wěn)定性及膜對無機(jī)鹽離子的選擇性。當(dāng)膜孔徑從微孔減小到納濾孔徑后，納濾孔徑對鹽離子的選擇性和NaCl的截留率均提高了，但是水通量卻小于微孔水通量；增大納濾膜水流壓力，膜通量將減小，NaCl的截留率將提高。膜通量和截留率是納濾膜兩個關(guān)鍵因素，同時提高膜通量和對一價離子的截留率是納濾膜淡化海水技術(shù)發(fā)展的方向。

3 集成海水淡化技術(shù)

無論是蒸餾法還是反滲透、電滲析和納濾膜方法，均有各自的缺點。將兩種甚至多種技術(shù)結(jié)合的集成海水淡化技術(shù)有望提高海水利用率、提高淡水產(chǎn)量和降低成本。典型的集成海水淡化技術(shù)有：水電聯(lián)產(chǎn)、熱膜聯(lián)產(chǎn)、離子交換法-納濾膜法和雙膜法。

3.1 水電聯(lián)產(chǎn)

水電聯(lián)產(chǎn)是利用電廠的廉價電力和廢熱蒸汽淡化海水的一種方式。水電聯(lián)產(chǎn)能提高能源利用率[18,19]、降低海水淡化成本和減輕環(huán)境污染[20]，在水資源缺乏地區(qū)，將海水淡化和其他工業(yè)形式靈活組合，對解決淡水緊缺和促進(jìn)工業(yè)發(fā)展有很大的幫助。國內(nèi)外很多海水淡化廠都是和發(fā)電廠建在一起的，這是當(dāng)前大型海水淡化工程的主要建設(shè)模式。傳統(tǒng)能源的資源利用率有限，發(fā)展核能，太陽能等新能源進(jìn)行海水淡化將成為新的研究熱點。

3.2 熱膜聯(lián)產(chǎn)

熱膜聯(lián)產(chǎn)是結(jié)合熱法和膜法淡化海水的一種方式，滿足不同用水需求，降低海水淡化成本。用太陽能、風(fēng)能等可再生能源與反滲透聯(lián)合使用，可提高海水淡化效率，降低能耗及成本。

近年來國內(nèi)僅公開了少量以采用蒸汽、風(fēng)能為能源與反滲透聯(lián)合淡化海水的相關(guān)研究，太陽能反滲透海水淡化設(shè)備[21]和一種風(fēng)能反滲透海水淡化裝置[22]。太陽能反滲透海水淡化設(shè)備用太陽能產(chǎn)生的蒸汽代替電力直接驅(qū)動汽輪泵，避免了蒸汽轉(zhuǎn)化為電力再驅(qū)動泵所造成的熱效率的損失。熱膜聯(lián)產(chǎn)既具有太陽能技術(shù)的節(jié)能和環(huán)保特點，又具有膜法海水淡化的優(yōu)點。以風(fēng)能直接驅(qū)動的海水淡化設(shè)備中的高壓泵，相比以風(fēng)力發(fā)電為基礎(chǔ)的電力驅(qū)動裝置，其利用率更高，投資更少、維護(hù)費用更低。熱膜聯(lián)產(chǎn)最主要的缺點是設(shè)備造價高。

3.3 離子交換法-納濾膜法

離子交換法(HIX)是利用陽離子交換樹脂吸附水中的陽離子釋放出氫離子，再用陰離子交換樹脂吸附其中的陰離子釋放出氫氧根，二者中和而達(dá)到除鹽的目的。離子交換法-納濾膜法(HIX-NF)是一種新型的集成淡化海水技術(shù)，納濾膜替代反滲透膜，大幅度降低海水脫鹽過程中的能量消耗，提高能源利用率。從科學(xué)的角度去分析，HIX-NF優(yōu)于膜處理，它能改變進(jìn)料液的化學(xué)性質(zhì)，在淡化海水過程中具有獨特性。特別是在不添加任何添加劑的情況下，HIX-NF通過可逆陰離子交換法將海水中一價 Cl-轉(zhuǎn)化成二價 SO42-，一方面降低了反滲透時進(jìn)料液所需約30%的操作壓力，另一方面納濾膜的濃縮液中富集的 SO42-可以作為陰離子交換離子循環(huán)使用，降低了反滲透海水淡化過程中的能耗，克服納濾膜對單價離子截留率不高的缺點，提高海水淡化率[23]。

3.4 雙膜法

海水中含有大量的無機(jī)膠體和有機(jī)大分子，海水預(yù)處理尤為重要。海水淡化預(yù)處理主要包括降低海水的濁度、污泥密度指數(shù)（SDI）、化學(xué)耗氧量（COD）、微生物含量以及加入高效助凝劑提高氫氧化物絮凝沉淀的速率等。未經(jīng)有效預(yù)處理的海水進(jìn)行反滲透時，將增加反滲透膜的負(fù)荷、增加淡化過程膜清洗、反沖的頻率，增加成本，降低產(chǎn)淡水量，影響反滲透膜的使用壽命。在固定濃度的TDS和操作壓力下，檢測NF膜和RO膜過濾得到的濃縮液A和B中Na2SO4的截留率，結(jié)果分別為大于75%和 99.2%[24]。采用納濾和反滲透聯(lián)用的膜法聯(lián)用技術(shù)進(jìn)行海水淡化，可明顯提高離子的截留率，降低能耗和造水成本。另外雙膜發(fā)還有微濾和反滲透的結(jié)合以及雙重納濾膜法[25]。

4 結(jié)論與展望

淡水資源嚴(yán)重缺乏是 21世紀(jì)困擾世界各國發(fā)展的一個重要因素，相對于各種有實效的方案，海水淡化是一個較優(yōu)的解決方式。在國際上，海水淡化已具有明顯的優(yōu)勢，國內(nèi)由于水價較低，海水淡化成本相對較高。國內(nèi)的海水淡化生產(chǎn)能力同國際上相比差距大，我國海水淡化技術(shù)還有待提高。

海水淡化方法有蒸餾法和膜法：蒸餾法能耗大，操作成本高；反滲透法已被廣泛運用于淡水生產(chǎn)中，但是反滲透法的操作壓力較高以及膜組件污染問題會影響膜的壽命；納濾膜法操作壓力低，能耗低，符合未來海水淡化發(fā)展的趨勢，但膜通量的高低和納濾膜對 NaCl截留率的大小影響納濾膜淡化海水的效率。水電聯(lián)產(chǎn)、熱膜聯(lián)產(chǎn)等多種技術(shù)集成的海水淡化技術(shù)能提高海水淡化效率，降低能耗?？梢灶A(yù)測未來提高海水淡化效率兩種方法：(1)發(fā)展具有抗污染性強(qiáng)、高膜通量和高 NaCl截留率特性的膜淡化海水技術(shù)；(2)作為資源的最有效整合方式，集成海水淡化技術(shù)將是未來海水淡化技術(shù)發(fā)展的趨勢。

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Status and Prospects of the Seawater Desalinization Technology

WU Xiao-ling，HUANG Xiao-rong，DENG Yao
（College of Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangdong Guangzhou 510640，China）

Different technologies of seawater desalination were briefly described，and developing status and limitations of traditional and novel technologies for seawater desalination were analyzed．It’s point out that the membrane technology for seawater desalination has strong antipollution ability，high water flux and high rejection efficiency of sodium chloride，and the integrated seawater desalination technology is the research tendency．

Seawater desalination；Membrane separation technology；Reverse osmosis；Nanofitration

TQ 085

A

1671-0460（2012）09-0964-04

2012-04-01

鄔曉齡（1988-），女，安徽合肥人，碩士，華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院碩士生，從事納濾膜海水淡化技術(shù)研究。電話：020-87111449，E-mail：wuxiaol163@163.com。