大规模海水淡化及工艺

全世界约有7亿人口缺乏足够的洁净水。预计在10年内，这一数字将升至18亿。在许多地方，向海洋要淡水可能是增加供应的唯一可行方法。

世界需要海水淡化

在某些国家或地区，淡水供应严重不足。随着人口的不断增长，淡水短缺的现象将更加明显。

但是，人类是不能直接饮用咸水的。通过一定的工艺，将海水进行淡化的技术，被越来越多地应用于世界各地，为人们提供所需的淡水。海水淡化使得美国大部分州已经或可以获得足够的可饮用淡水。

要把海水转化为淡水，必须克服的“简单”障碍是去除海水中溶解的盐。这似乎就像在锅里煮沸一些海水，收集蒸汽并将其冷凝成液态水（蒸馏）一样简单。还有一些其它方法可用，但是，当前的工艺不仅昂贵、高耗能，而且涉及大规模的设施建设及投资。

海水为什么是咸的？

我们说的“咸水”究竟是什么意思？咸水是指水中溶解了相当数量（浓度）的盐分。以“百万分比”（ppm）表示水中含盐的浓度（按重量计），如果浓度达到10000 ppm，那么水的重量的百分之一来自溶解的盐。

以下是衡量水的含盐量的指标：

淡水：小于1000 ppm

微咸水：1000 ppm至3000 ppm

中咸水：3000 ppm至10000 ppm

高咸水：10000 ppm至35000 ppm

顺便说一下，海水含有约35000 ppm浓度的盐。

用蒸馏淡化水

对于世界上许多干旱地区，由于淡水资源短缺，增加供水需求已经迫在眉睫，未来，问题还将变得愈发严峻。许多干旱地区根本没有淡水资源，如河流、湖泊等地表水，可能只有有限的地下水资源。因为现在还在不断从含水层中取水，一些地下水也变得越来越咸。自然界利用太阳能淡化蒸发产生雨水，成为地球上淡水的主要来源。目前市场上所有人工蒸馏系统都是对这种自然过程的小规模复制。

淡化并非现代科学

淡化或蒸馏是人类最早利用的水处理形式之一，至今仍为世界各国普遍采用。在古代，许多文明都曾利用这一过程，在船上将海水转化为饮用水。今天，人们则通过建造海水淡化厂，将海水转化为饮用水，供船舶和世界上许多干旱地区使用，并用来处理其它地区被自然和非自然污染物污染的水。蒸馏也许是能最彻底减少最为广泛的饮用水污染物的一种水处理技术。

本质上，这一基本过程承担了水（水文）循环的重任。太阳提供能量，使水从地表水源如湖泊、海洋和溪流中蒸发。水蒸气最终与较冷的空气接触，在那里重新冷凝形成露水或雨水。这一过程可以人工模拟，而且通过采用替代制冷或加热源，可以比自然界中的进程更快。

个人海水淡化工厂

如果不幸被困在海洋中的救生筏上，便携漂浮式太阳能蒸馏器可以提供宝贵的淡水以维持生命。其工作原理是：“利用太阳的热量蒸发放在中间的黑色塑料容器上的海水（黑色是为了吸收更多来自太阳的热量）。蒸发的水蒸气上升，直到接触顶部透明塑料罩，然后凝结成液态淡水。淡水粘附在塑料罩上，重力使其沿着透明塑料罩的侧壁流动，进入环绕蒸馏器边缘的环形容器中。

如果身处沙漠之中，并且需要饮用水，也可以应用同一过程来驱动这一装置。要简单实现这一目标，可建造一个“太阳能蒸馏器”。利用来自太阳的热量驱动蒸馏过程，从而在塑料薄片之类的材料上形成露珠。将海水或植物材料置于蒸馏器中，由于塑料薄片制成的外壳被太阳加热，因而其中可产生潮湿空气。潮湿空气在塑料板的下侧凝结成水滴，表面张力的作用，使得水滴粘附在薄片上并向下流入一个槽内，方便从中取用。

关于淡化的一些事实

• 据估计，世界上有约30%的灌溉地区遭遇盐碱化问题，而且修复费用非常昂贵。

• 2002年，世界上约有12500个海水淡化厂，分布于120个国家。每天生产淡水约1400万立方米，不足世界淡水总消耗量的1%。

• 最重要的海水淡化用户是中东（主要是沙特阿拉伯、科威特、阿拉伯联合酋长国、卡塔尔和巴林），占全球总量的70%；北非（主要是利比亚和阿尔及利亚）占全球总量的6%左右。

• 在工业化国家中，美国是海水淡化最重要的用户之一，尤其是在加利福尼亚州和佛罗里达州的部分地区。高昂成本阻止了海水淡化的频繁使用。

实现大规模海水淡化

在以色列特拉维夫以南10英里处的地中海之滨，昼夜不停地运行着一座巨大的新工业设施。它是世界上迄今为止最大的现代化海水淡化厂，为该国提供了家庭用水的20%。这座工厂由Israel Desalination Enterprises或称IDE Technologies负责建造，耗资约5亿美元，采用了传统的反渗透法（RO）海水淡化技术。一系列工程和材料技术上的进步，也使得以色列能以前所未有的规模利用海水生产出廉价的洁净水。

这座名为Sorek的新工厂建成于2013年底，现在正逐步提升至满负荷运行，每天生产627,000立方米的水，这证明，建造如此大型的海水淡化设施是可行的。事实上，海水淡化已经成为以色列的主要淡水来源。2004年，以色列还需要完全依靠地下水和雨水，现在，全国范围内运行着四座海水淡化厂，其中Sorek的规模最大。2016年，以色列约有50%的淡水来自海水淡化。

一直以来，对反渗透技术的批评是成本太高。这一工艺需要使用大量的能量来迫使盐水流向聚合物膜，并且膜的孔隙必须足够细小，能够让淡水通过而阻止住盐离子。但Sorek工厂能以每立方米（1000升，相当于以色列每人每周用量）58美分的更低价格向以色列水务局供水，这比目前传统的海水淡化厂所能达到的价格更低。此外，其能耗也是世界上大型海水淡化厂中最低的。

Sorek工厂融合了一些工程改进技术，使其比以前的反渗透设施更高效。它是第一个使用直径为16英寸而非8英寸压力管的大型海水淡化厂。结果，其管道和其它硬件成本降到四分之一，实现了大幅削减。该工厂还拥有高效的泵以及能量回收装置。

澳大利亚、新加坡和波斯湾的几个国家已经成为海水淡化的大用户，加利福尼亚州也开始接受这项技术。 较小规模的RO技术既节能又相对便宜，还可以广泛部署在存在严重供水问题的地区，即使远离海洋，也可通过地下咸水开采来实施。

早期开发的是由原子厚度的碳片制造的先进膜，则有望进一步削减海水淡化厂的能源需求。

海水淡化常用反渗透工艺

海水淡化的核心是反渗透工艺。它由一台高压泵、一个能量回收装置和反渗透膜组成。

高压泵

在海水进入反渗透膜之前，根据其温度和盐度，通常在55至85 bar下利用高压泵为澄清的海水加压。

根据主要海域和大洋中水的成分计算需要施加的压力。

能量回收装置（ERD）

RO膜上的压降约为1.5～2 bar，具体取决于每个压力容器的构件数量，以便在高压下释放浓盐水。凭借能量回收装置，浓盐水流中的能量可以得到再利用。浓盐水被导向至ERD，在那里直接将能量传递给部分进水。

有两个主要能量回收方法，即能量回收涡轮机（ERT）和压力交换器（PX）。

示例：

海水流量：100 m3/h

施加压力：75 bar

R.O. 回收率： 40%

渗透流量：40 m3/h

无能量回收装置时所需功率：300 kW

比能量：300/40＝7.5 kWh/m3

配备能量回收涡轮机时所需功率：177 kW

比能量：177/40＝4.4 kWh/m3

配备压力交换器时所需功率：140 kW

比能量：140/40＝3.5 kWh/m3

螺旋缠绕式海水反渗透单元

海水淡化中最常见的RO膜是螺旋缠绕薄膜复合材料。它们被密封于一个扁平层中，缠绕成螺旋状。

资料编译自来源：

www.water.usgs.gov、lenntech.com