（化学工程专业论文）海水雾化冷冻脱盐技术的研究.pdf

摘要 淡水资源的紧缺已经成为环渤海地区可持续发展的主要制约因素。该地区附 近最大的水资源是大面积不可直接利用的海水。每年冬季气温剧降出现大面积的 海冰，根据海冰形成机理，海冰含盐量远远低于海水含盐量，对海冰进行进一步 简单处理便可以用于工农业生产及生活饮用。 本研究课题是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助项目。利用海冰资 源，开发海冰淡化技术是我国科技人员的首创，是具有中国特色的海水间接利用 方式，符合我国国情，其成果有原始创新性。 在海冰形成过程中，最初形成的冰晶、冰针和冰片会发生合并，合并过程中 包裹海水形成了“盐胞”，故海冰具有一定的含盐量。本论文通过海水雾化冷冻法、 重力脱盐法以及离心脱盐法分别对原始海水和雾化冷冻生成的粗海冰进行了淡 化研究。 海水雾化冷冻脱盐法是通过用离心泵将原始海水输送到高处的雾化喷嘴，海 水经雾化喷嘴被雾化成海水滴，海水滴在下落过程中与周围的冷空气发生热交 换，并部分被冷冻成固体海冰。在海水和粗海冰下落处，用尼龙网拦截形成的粗 海冰，未发生冷冻的海水则通过尼龙网网孔脱离冰体，并收集在容器中。因为雾 化冷冻的过程十分迅速，所以相当一部分卤水来不及脱离冰体，因此盐度相对于 渤海湾自然形成的海冰的盐度较高。实验表明，海水经雾化冷冻形成的粗海冰融 水的盐度从原始海水盐度的2 5 5 o 降低到1 2 2 0 ，而渤海湾海冰盐度一般为 3 8 。 重力脱盐法是利用重力作为对海冰和卤水混合物施加的外力，使卤水受力大 于其附着在冰表面的粘性附着力，形成的卤水在重力作用下脱离冰体。实验表明， 在4 的环境温度下，重力脱盐7 h 后，雾化冷冻形成的粗海冰的盐度从1 6 下 降到了1 0 4 ，脱盐率为3 5 。 离心脱盐法是通过离心运动，对海冰和卤水混合物施加一个外力，使卤水受 力大于其附着在冰表面的粘性附着力和盐胞管中的表面张力之和对其的约束，形 成卤水在离心受力过程中的离心移动。通过连续施加离心力，达到卤水与冰晶体 的分离。实验表明，经过离心脱盐后，海冰融水的盐度可以降到l o o 以下，在 环境温度为1 ，离心时间4 0 m i n ，离心转速3 0 0 0 r m i n ，重力脱盐后的海冰盐度 从1 4 2 下降到2 9 ，脱盐率为7 9 5 7 。 实验表明，以雾化冷冻法得到的海冰为原料进行重力脱盐和离心脱盐，最终 可以达到良好的淡化效果。 关键词：海冰、淡化、雾化冷冻、重力法、离心法 a b s t r a c t i i h e s c a r c i t yo f f r e s hw a t e rh a sb e c o m et h ek e yr e s t r i c t i o nf a c t o ro fe c o n o m i c d e v e l o p m e n ti nt h ea r e a sa r o u n db o h a is e a b u tt h el a 唱e s tw a t e rr e s o u r c en e a ri ti s s e aw a t e rw h i c hc a nn o tb eu s e dd i r e c t l y t h e r ei sal a 唱es c o p eo fs e ai c ei nb o h a i s e ai ne v e 巧w i n t e r s a l ts e p a r a t i o nf 两ms e ai c ei nf r e e z i n gp r o c e s sr e s u l t si nl o w e r s a l i n i t yi ns e ai c e ，w h i c hm a yb e c o m ear e s o l u t i o nt ot h ew a t e rs h o r t a g ep r o b l e mi n t h e s ea r e a s 1 1 1 i sr e s e a r c hi st h ec r e a t i v ei n i t i a t i o no fs c i e n t i f i cr e s e a r c hp e r s o n n e l i ti sa m e t h o do fu s i n gs e aw a t e ri n d i r e c t l ya n dh a sc h i n e s ec h a r a c t e r i s t i c t h er e s u l t sa r e o r i g i n a l i n n o v a t i o n d u r i n gt h ef o r n l a t i o no fs e ai c e ，t h el i q u i db r i n es h o u l dd r a i no u ti n t ot h e u n d e r l y i n gw a t e rf r o mt h es e ai c es t r u c t u r e h o w e v e r ，t h ep r o c e s si sl i m i t e db yt h e v e 巧f a s tr a t eo fs e ai c ef o r m a t i o nw h i c hd u et ot h ea b r u p td r o p so fa i rt e m p e r a t u r e ， s o m eli q u i db r i n eh a sn oe n o u 曲t i m et 0d r a i no u t a sar e s u i t ，t h eli q u i db r a i ni s 打印p e dw i t ht h es e ai c es t 邝c t u r et of o r ms o c a jl e db r a i np o c k e t s e ai c ei sc o m p o s e d o f p o l y g o n a li c ec 呵s t a l ，b r a i np o c k e t ，a i rp o c k e ta n dab i to fs o l i di m p u r i t i e s 1 ti s m i x t u r ea n dh a ss a l i n i 妙t h ep a p e rs t u d i e so nt h ed e s a i i n a t i o no fs e aa n ds e ai c eb y t h em e t h o do fs p r a yf - r e e z i n 舀g r a v i t a t i n ga n dc e n t r i f u g a t i o nr e s p e c t i v e l y f o rs p r a yf r e e z i n gd e s a l i n a t i o n ，t r a n s p o n i n gs e a w a t e ri n t on o z z l ew h i c hi ss e v e r a l m e t e r sh i 曲b yt h em e t h o do fu s i n gp u m p t h r o u g ht h en o z z l e ，s e a w a t e rc h a n g e si t s f o r n lb ya t o m i z i n ga n db e c o m e ss e a w a t e rd r o p i e t s s e a w a t e rd r o p l e t se x c h a n g eh e a t w i t hs u r r o u n d i n gc o l da i r ，a n dp a r to ft h ed r o p l e t sa r ef o z e nb yt h ec o l da i r d u r i n g t h ee x p e r i m e n t ，t h ef r o z e nr a ws e ai c ew a sc o ll e c t e db yn y l o nn e t ，a n db r i n ew a s c o l l e t e db yt h eb a s i nb e n e a t ht h en y l o nn e t d u et ot h ev e r yf a s tp r o e e s so fs e ai c e f o r m a t i o n ，ag r e a td e a lo fl i q u i db r i n eh a sn ot i m et oe s c a p et h ei c es t r u c t u r e ，s ot h e s a l i n i 够o ft h er a ws e ai c ei sm u c hm o r eh i g ht h a nt h es e ai c ef o m e di nt h en a t u r e e n v i r o n m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es a l i n i 够o fs e a w a t e rr e d u c e dt o l2 一l5 o fr a ws e ai c ef r o m2 5 5 oa r e rs p 瑚l yf r e e z i n g f o rg m v i t a t i n gd e s a l n a t i o n ，u s i n gg r a v i t a t i o na so u t s i d ef o r c ew h i c hd e s e r v e so n t h em i x t u r eo fs e ai c ea n dl i q u i db r i n ea n dt h i so u t s i d ef o r c ei sp o w e r f u lt h a nt h e m u c i l a 2 i n o u sf o r c ew h i c hi i m i t st h eb r i n et 0t h es e ai c es u r f a c e t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a tw h e ne n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r ew a s 一4 0 a n d 舒a v i t a t i o nt i m e w a s2 0 h ，t h es a l i n i 够o fr a w s e ai c ew a sr e d u c e dt o1o 4 f r o m 16 ，t h er e j e c t i o no f s e ai c ei s3 5 f o rc e n t r i f u g a t i o nd e s a l i n a t i o n ，u s i n gc e n t r j f u g a lf o r c ea so u t s i d ef o r c ew h i c h d e s e r v e so nt h em i x t u r eo fs e ai c ea n dl i q u i db r i n ea n d t h i so u t s i d ef o r c ei sp o w e r f u l t h a nt h em u c i l a g i n o u sf o r c ea n ds u r f a c e t e n s i o nw h i c h l i m i t st h eb r i n et 0t h es e ai c e b vd e s e r v e st h ec o n t i n u e sc e n t r i f u g a lf o r c e ，m el i q u i db r i n ew i l le v e n t u a l l y1 e a v et h e s e ai c e t h ee x d e r i m e n _ t a ir e s u l t ss h o w e dt h a tw h e ne n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ew a s o a n dc e n t r i f u g a l t i m ew a s4 0 m i n ，a n dc e m r i f u g a lv e l o c i 够w a s3 0 0 0 r i n i n ，t h e s a i i n i t vo fr a ws e ai c ew a s d u c e dt o2 9 f o ml4 2 ，t h er e j e c t i o no f s e ai c ei s 7 9 5 7 t h ea b o v ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tg r a v i t a t i n gd e s a l i n a t i o na n dc e n t r i f u g a t i o n d e s a l i n a t i o nu s i n gs e ai c ea sr a wm a t e r i a lw h i c hm a d eb yt h em e t h o do fs p r a y 行e e z i n gc o u l dr e a c hg o o dr e s u l t s k e yw o r d s ： s e ai c e ，d e s a l i n a t i o n ，s p r a yf 把e z i n g ，c e n t r i m g a t i o n ，g r a v i t a t i n g 独创性声明 本人声明所皇交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得：叁盗叁鲎或其他教育机构的学位或证 书两使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：埔年台月矽目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘鲎可以将学位论文的全部或音| j 分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 王香、 导师签名： 匆钐 签字日期：砂6 年6 月彳日签字同期：丑彩年舌月彳日 前言 刖舌 淡水资源的紧缺已经成为制约全球经济发展的重要问题。我国的人均淡水资 源占有量为世界人均淡水资源占有量的1 4 ，是世界1 3 个贫水国之一。然而随着 中国人口的剧增和经济的快速发展，用水量曰增，水污染加重，使本来就紧张的 淡水资源显得更加紧张，水的供需矛盾日益加剧。由于我国水资源的时空分布不 均，使这一矛盾在我国的环渤海地区尤其突出。 环渤海地区包括辽宁、河北、山东三省及北京、天津两市，是我国经济发达 和城市化水平较高的地区之一。改革开放以来，环渤海地区经济持续增长，尤其 是十七大召开之后，环渤海地区的经济将面临着更大的发展机遇。但是，环渤海 地区是全国水资源保障压力最大的地区，该地区人均水资源量仅为全国人均水资 源量的1 5 ，却以占全国2 的水资源总量和1 3 的地表水资源量，负载着全国1 8 的人口、2 1 的灌溉面积、1 7 的粮食总产量。近几年来由于环渤海沿岸城市群 的崛起，经济高速发展，人口持续增加，水资源紧缺局面不断加剧，流入渤海的 几大河流如黄河、海河、滦河、辽河等不同程度地出现断流现象，地下水的过度 开采也造成大面积地下漏斗的出现，地表水、地下水等常规水资源开发利用已经 达到极限。水资源严重不足已成为今后该地区经济社会可持续发展的主要制约因 素。有限的水资源量同不断增长的工农业、城乡居民生活用水的矛盾日益尖锐。 目前，全球各国和地区解决淡水资源缺乏的策略主要包括“节流”和“开源” 两个方面。对于解决环渤海地区而言，“开源”具有重要的意义，该地区最大的 水面就是渤海，故开发利用海水、苦咸水等非常规水资源将成为开辟该地区新水 源的方向之。 进入2 0 世纪后，海水淡化技术随着水资源危机的加剧得到了快速发展。2 0 世纪7 0 年代以来，许多沿海国家由于水资源匮乏而加快了海水淡化的产业化进 程。沙特、以色列等中东国家7 0 的淡水资源来自海水( 或苦咸水) 淡化。一些 经济发达国家还设立了专门机构从事海水淡化技术的研究开发和应用工作。我国 海水淡化技术起步于l9 5 8 年，是继美国、加拿大、日本之后的几个少数掌握海水 淡化技术的国家之一。经过几十年的发展，多级闪蒸、多效蒸馏、压汽蒸馏和反 渗透成为我国较成熟的海水淡化技术，装置日趋定型化、标准化和系统化。 由于渤海是北半球纬度最低的结冰海域，每年冬季在大陆冷高压和寒潮的作 用下都会出现大面积的海冰。渤海海冰主要分布在辽东湾、渤海湾和莱州湾，其 中以辽东湾冰情最为严重。由于海水在自然冻结过程中产生盐、水分离现象，大 前言 量盐分被排出冰体，所以海冰的含盐量大大低于海水的含盐量。通常渤海海水的 含盐量为2 8 3 2 ，海冰含盐量约为3 8 ，即海水经过自然冻结过程可除 掉8 0 左右的盐分。如果对海冰作进步的脱盐处理，以较低的成本去掉海冰中 的盐分，得到淡水，进而有可能为环渤海地区可持续发展提供新的水资源。 海水雾化冷冻技术是将海水通过离心泵输送到高处的雾化喷嘴，海水经雾化 喷嘴被雾化成粒径很小的海水滴，海水滴在下落过程中和周围的冷空气发生热交 换，海水滴在空中部分被冷冻成固体海冰，同时部分盐分被排除到卤水中。收集 固体海冰排除卤水，以此来实现海水的脱盐，论文的研究基础就是在此基础上展 开的。 本论文对原始海水依次采用了雾化冷冻脱盐、海冰重力脱盐和海冰离心脱盐 三种淡化方法。 第一章文献综述 第一章文献综述 地球上的水资源，广义上是指“全部自然界任何形态的水。包括气态水、液 态水和固态水的全部量”；狭义上是指在定经济技术条件下较容易被人类利用 的、可以逐年恢复的淡水资源。在淡水资源中，深层地下水、两极及高山冰川、 永久积雪和永冻层地冰占淡水总储量的9 7 0 l ，而与人类生产生活密切且较易 开发利用的湖泊、河流、浅层地下水等淡水储量仅为1 0 4 6 万亿立方米，只分别 占地球水总储量的0 0 0 9 1 和淡水总量的2 9 9 。据资料报道。世界上有国际河 流与湖泊2 1 4 条，其流域面积约占全球陆地面积的4 7 ，储存水量约占世界淡水 资源的一半。因此。淡水资源实质上是一种非常有限的国际性自然资源。 地球上的水圈与大气圈和土壤圈构成地球的生物圈。水是生命的源泉，离开 水，生命将无法维持，生态系统将不能运转。同时，水还是农业的命脉，是农作 物体内的重要组成物质之一。另外，化工、煤炭、造纸、纺织等各行各业均需要 大量的水。因此，水资源现状是发展工业必须首先考虑的因素之一。现在，水资 源短缺不但成为制约现代化大型工业格局形成及发展的重要因烈2 1 ，而且已经成 为人类生活水平提高的瓶颈。因此，节约用水和寻找新的淡水资源己成为人类社 会生活发展的前提条件之一。 1 1 水资源概况 1 1 1 世界水资源状况 据水文地理学家的估算，地球上的水资源总量约1 3 8 亿k m 3 ，其中9 7 5 是 海水( 1 3 4 5 亿l 锄3 ) ，淡水只占2 5 ，其中绝大部分为极地冰雪冰川和地下水，适 宜人类享用的仅为0 0 l 。2 0 世纪5 0 年代以后，全球人口急剧增长，工业发展迅 速。一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水 污染蚕食大量可供消费的水资源 3 】，更加剧了淡水资源的紧张。和燃油不一样， 饮用水没有可行的替代物，无论在数量上还是在质量上，水的损耗对经济和社会 将产生深远的影响。联合国开发计划指出，发展中国家有十多亿人得不到安全用 水，2 4 亿人缺乏必要的卫生条件。现在，人类的生活用水正以每年5 的速度增 加，每1 5 年用水量就翻番，如果不采取有效措施，到2 0 3 0 年世界将会有三分之 一的人口面临淡水资源危机。 第一章文献综述 1 1 2 水资源在我国的分布特点 就水资源总量而言，我国是水资源大国，水资源总量为2 8 1 1 0 儿m 3 ，居世 界第6 位，而水资源可供应量约为6 6 1 0 1 1 6 7 1 0 m 3 【4 1 。但我国同时也是人均 水资源贫国，人均水资源占有量仅为2 2 0 0 m 3 ，为世界人均的1 4 ，居世界第1 2 l 位，被联合国列为1 3 个最贫水国之一。 我国水资源在时空分布上呈现出很强的不均匀性。我国幅员辽阔，受气候， 地质以及地势差别的影响，降水和径流量年际变幅很大，我国水资源分布与人口 和耕地分布很不适应，北方水资源严重不足。水资源的可利用程度大为降低，而 且容易造成旱涝灾害。 另外我国属于多水患国家。由于我国在地理位置面临太平洋，背靠欧亚大陆， 具有降雨集中的季风气候特点，加上地貌由西向东倾斜、落差之大等因素又决定 了来水之猛、山洪之烈，势不可挡。这些都决定了我国多水灾的国情。 我国湿地保护面临巨大威胁。我国是世界上湿地资源大国，类型齐全，数量 丰富。由于人口的增长、经济的发展以及湿地资源长期过度开发，湿地急剧减少， 湿地功能不断下降。目前，我国湿地资源保护面临巨大威胁。主要有以下几个方 面：对湿地盲目开垦和改造；湿地污染加剧；湿地水资源不合理利用； 泥沙淤积日益严重；湿地保护资金严重不足；对湿地保护认识不足，法律法 规不完善。 经济快速发展给水资源保护带来更大压力。随着工农业经济迅速发展，人口 密度增大，污水排放量不断递增，水污染日益严重，威胁人民生命健康。水资源 开发利用还可能改变局部水域的纳污能力，如三峡水库蓄水后库区局部支流库湾 发生营养氧化现象等。这些都会给水资源的保护工作带来更大压力。 水资源开发利用活动引起新的生态环境问题。一方面，我国水资源开发利用 程度并不高，仍需多快好省地继续开发和利用；另一方面，由于有的开发活动对 有关的生态环境所产生的负面影响重视不够，有的则对工程建设中的移民问题认 识不够，因而带来了不容忽视的生态环境问题。尤其是一些无序开发活动更加剧 了这些影响，造成湖泊萎缩、湿地生态服务功能下降、生物资源衰减、生物多样 性受到威胁等，制约了水资源的可持续发展。 流域管理机制与流域综合管理的要求不相适应。我国目前流域管理机制职能 单一，难以根据流域和生态系统的整体性进行综合管理。流域的综合管理要求在 流域尺度上，通过跨部门和跨行政区的协调管理，开发利用和保护水、土、生物 等资源，最大限度地适应资源规律，充分利用生态系统功能，实现流域的可持续 发展【5 1 。 面对严重的淡水资源紧缺问题，我国也一直在寻找有效的解决方法和方案， 4 第一章文献综述 其中包括传统方法和海水淡化【6 | 。节水、拦蓄降水、开采地下水、远程调水等传 统方法在一定程度上部分缓解了淡水资源紧缺的现状。而海水淡化作为一种新型 淡水资源开发技术，经过半个多世纪的发展，淡水生产成本大幅度降低。在沿海 地区，海水淡化技术已经成为主要的淡水补充手段；在中东等国家则已成为淡水 供应的主要方法。海水淡化的成本包含取水、生产、回收、日常运行和管理以及 经营单位的利润等各项内容，属于综合成本，而且海水淡化随着技术进步成本还 会不断降低。目前，海水淡化成本约为4 8 元吨，部分城市自来水价已达到4 元吨以上，这样看来，海水淡化技术己具有了进入城镇水供应系统的能力。另 外，海水淡化则不受时空和气候的影响，产水水质好、供水稳定。现今，世界上 相当一部分水资源短缺的国家和地区在大力推行节水技术的同时，人们纷纷把目 光投向广阔无垠的海洋，加快发展海水淡化与直接利用技术，使海水淡化技术成 为当今世界竞相研究的高新技术。 我国拥有1 8 1 0 4 余1 ( m 的海岸线，海洋面积约3 0 0 1 0 6 k m 2 ，利用海水淡化 技术将丰富的海水作为我们生活、工业生产、农业灌溉需求的淡水资源，解决我 国缺水的问题，特别是满足沿海城镇和岛屿对淡水的需求，是切实可行的。 1 2 海水淡化技术的发展概况 海水淡化就是通过一系列过程将高含盐量的海水部分或全部脱除盐分转变 为人们可以直接使用的低含盐量的水或淡水的过程。 1 2 1 国外海水淡化发展概况 进入2 0 世纪后，海水淡化技术随着水资源危机的加剧得到了快速发展，联合 国关于非常规水源的研究报告指出，从1 9 5 0 1 9 8 5 年的3 5 年间，海水淡化的发展 经历了三个阶段，即发现阶段，开发阶段和商业化阶段。在这期间研究开发的精 力主要集中在蒸馏、冷冻、电渗析和反渗趔7 1 。伴随海水淡化技术发展和社会需 求量加大，海水淡化工厂的淡化规模不断扩大。其规模从最初的日产几百立方米， 发展到现在的日产几十万立方米。目前，世界上最大的多级闪蒸海水淡化厂是沙 特阿拉伯的s h u a i b a 海水淡化厂，日产淡水4 6 万立方米：世界上最大的低温多效海 水淡化厂是阿联酋t a w e e l a h a l 海水淡化厂，日产淡水2 4 万立方米；- 世界最大的 反渗透海水淡化厂是以色列南部地中海岸工业区的阿什凯隆海水淡化厂，日产淡 水3 3 万立方米。不久前，韩国斗山公司签约承建了世界上最大的沙特阿拉伯热膜 耦合( m s f + r o ) 海水淡化厂，计划2 0 0 9 年建成，日产淡水8 8 万立方米。在海水淡 化规模不断扩大的同时，海水淡化成本也逐渐降低。其中，典型的大规模反渗透 第一章文献综述 海水淡化吨水成本已从19 8 5 年的1 0 2 美元降至2 0 0 5 年的4 8 美分。且在成本的组成 上，运行及维护、能源消费和投资成本均逐年下降。目前，国外吨淡化水出厂价 格一般为o 6 _ _ o 9 美元【8 ，9 1 。如今，全球淡化水日产能力已达到3 0 0 0 多万吨。从地 区分布来讲，虽然淡化水生产能力半数以上都在中东国家( 约占2 0 0 0 年世界淡化 水生产能力的5 2 ) ，但发达国家特别是美、日和欧洲国家也占了很大比重1 1 0 】。 1 2 2 我国海水淡化发展概况 在我国，电渗析、反渗透海水淡化技术和蒸馏法海水淡化技术( 多级闪蒸、 压汽蒸馏和低温多效蒸馏) 等的研究开发，都已取得相当大的进展。1 9 5 8 年首 先开展电渗析海水淡化的研究，1 9 6 7 1 9 6 9 年国家科委和国家海洋局共同组织 了全国海水淡化会战，同时开展电渗析、反渗透、蒸馏法等多种海水淡化方法的 研究，为海水淡化事业的发展奠定了基础。 1 9 5 8 年中科院北京化学所首先开展离子交换膜的研究，19 6 5 年第一台电渗 析( e d ) 装置试用于成昆铁路建设，1 9 6 7 年实现了异相离子交换膜的工业化生 产，上世纪7 0 年代以来，相继进行了多种均相离子交换膜的研制和中试放大， 电极动力等研究和新型钛涂钌电极的制备，大尺寸( 8 0 0 m m 1 6 0 0 m m ) 电渗析 用隔板的开发，电渗析水力学参数研究，大型电渗析膜堆的设计和开发，长期运 行不拆洗的研究与实践及特种分离的开发等，使我国电渗析技术不断提高。目前 国内异相膜生产已具规模，年产在3 5 4 0 10 5 m 2 左右，大小电渗析厂家约3 0 个，另有部分均相离子交换膜也实现了产业化。 1 9 6 5 年，山东海洋学院化学系在国内最先进行反渗透醋酸纤维素( c a ) 不 对称膜的研究；上世纪7 0 年代进行了中空纤维和卷式反渗透( r o ) 膜及元件的 研究，并初步工业化。“七五”以来，反渗透海水淡化技术的开发研究一直列入国 家重点攻关项目，“七五”期间完成了中、低盐度反渗透膜和组件的研制，建立了 海岛苦咸水淡化示范工程；“八五”期间，在中盐度反渗透膜的研制方面取得了很 大进展；“九五”攻关使新型的聚酰胺复合膜中试放大成功。1 9 9 7 年在浙江舟山 市嵊山镇建造了5 0 0m 3 d 反渗透海水淡化示范工程，吨水耗电5 5 度以下，技术 经济指标具有同等容量的世界先进水平。目前我国已建和在建的海水淡化装置多 个，以反渗透法为主，规模最大的海水淡化厂规模为1 o 10 3 m 3 d ，单台装置为 1 0 1 0 4 m 3 d 。另外，还开展了纳滤一反渗透( n f r o ) 集成海水淡化的研究。 蒸馏法海水淡化技术也已进行了几十年的研究，上世纪6 0 年代主要进行船用 小型压汽蒸馏装置的研究开发，上世纪7 0 年代8 0 年代初进行过日产淡水百吨的 多级闪蒸( m s f ) 中试研究，取得一定的设计参数和经验，上世纪8 0 年代中9 0 年代中开发3 0m 3 d 规模的( 常压和负压) 压汽蒸馏装置，并进行了试用。1 9 8 7 第一章文献综述 年大港电厂从美国引进二套3 0 0 0m 3 d 多级闪蒸( m s f ) 海水淡化装置，与离子 交换法结合，解决锅炉补给水的供应，运转至今，在技术的消化吸收方面已做了 许多工作；1 9 9 7 年国内自己设计制造完成1 2 0 0 m 3 d 多级闪蒸( m s f ) 装置并调试 出水，但实际生产能力未能达到设计要求。“十五”期间，低温多效蒸馏海水淡化 技术示范工程研究被列入国家重大专项，国内设计制造完成了3 0 0 0m 3 d 的低温 多效蒸馏海水淡化工程j ，但实际生产能力仍未达到设计指标。“十一五”期间国 家将加快推进海水利用产业，严格限制在沿海地区新建以淡水为水源的高用水项 目。鼓励有条件的企业利用海水，支持海水淡化水进入城市供水管网。根据海 水利用专项规划，到2 0 10 年，我国海水淡化能力将达到日产8 0 万10 0 万m 3 ， 海水直接利用能力达到5 5 0 亿立方米。海水利用对解决沿海地区缺水问题的贡献 率将达到1 6 2 4 。“十一五”期间，国家将加快海水利用关键技术与设备国 产化进程，努力掌握核心技术解决技术瓶颈，继续深化水价改革研究制定鼓 励海水利用的财税政策拓宽融资渠道，鼓励各类社会资本投资海水利用产业。 目前，北京师范大学、国家海洋局环境监测中心和天津大学对利用天然海冰 制取淡水工艺方法开展了研究。利用海水在结冰过程中可以将大量的盐分排出冰 体，海冰含盐量大大低于海水含盐量的原理，在温度较低的冬季，采集渤海海冰， 对海冰进行不同方法的处理，进一步降低海冰的含盐量，从而得到可直接用于工 农业生产的淡化水。 1 3 主要的海水淡化方法 目前海水淡化的方法有许多种，如蒸馏法1 2 1 4 】、冷冻法1 15 1 、反渗透法、电 渗析法，水合物法【1 6 】等，常用的海水淡化方法如表1 1 所示。 1 3 1 蒸馏法 蒸馏法是将海水加热使之沸腾，再把蒸汽冷凝成淡水的过程。蒸馏法是最早 的淡化技术，其优点是不受原水含盐量的限制，适用于有热源的场所，尤其适用 于余废热可利用的场合。蒸馏法海水淡化设备结构比较简单，易操作，海水预处 理不像其他海水淡化技术要求严格。生产出来的淡水就是蒸馏水，水质较高。但 是由于海水中含有大量的卤素和无机盐对设备金属材料的腐蚀严重，故设备的投 资费用高。同时，由于最高操作温度在9 0 1 2 0 之间，淡化过程能耗大。此 外，由于海水组成中形成不溶物的离子含量较高，在换热表面易于结垢。 第一章文献综述 表1 1海水淡化方法 t h b l e1 1m e t h o d so fs e a 、v a t e rd e s a l 缸a t i o n 海 水 淡 化 方 法 从海水中分离出水 从海水中分离出盐 蒸 馏 法 多级闪蒸法 多效蒸馏法 压汽蒸馏法 膜蒸馏法 太阳能蒸馏法 冷 冻 法 直摊鬣纛 l 堡鉴堡姿鲨 间接法 天然冷冻法 膜法 反渗透法 电渗析法 离子交换法 吸附法 1 3 1 1 多效蒸发( m e ) 多效蒸发是由单效蒸发组成的系统。即将前一个蒸发器蒸发出来的二次蒸汽 引入下一蒸发器作为加热蒸汽并在下一蒸发器中凝为蒸馏水。如此依次进行。每 一个蒸发器及其过程成为一效，通过多次蒸发和冷凝，从而得到蒸馏水。图1 1 为现代用于进行海水脱盐的多效降膜蒸发过程示意图【1 刀。 汽 图1 1竖管降膜多效蒸发流程示意图 。 d 一蒸发器；e 一预热器；g 一泵：k 一冷凝器 f i g u r e l - 1 p r o c e s sf l o wd i a g r a mo f f a l l i n g - f i l me v a p o r a t i o no nah o r i z o n t a lt u b e d e v a p o r a t o r ：e w a n n - u p ：g p u m p ；k c o n d e n s e r 效数越多，能耗越低，但效数越多，投资费用越高。因此要根据当地能源价 格等因素，对造水比进行优化设计，这是多效蒸发的一个研究方向。同时，由于 设备的结垢与腐蚀问题，可考虑采用低温多效蒸馏法，该技术在水电联产和利用 第一章文献综述 废热造水方面有一定的市场。 1 3 1 2 多级闪蒸( m s f ) 多极闪蒸是针对多效蒸发结垢较严重的缺点而发展起来的，具有设备简单可 靠、防垢性能好、易于大型化、操作弹性大以及可利用低位热能和废热等优点。 【18 1 。多极闪蒸不仅用于海水淡化，而且已广泛用于火力发电厂、石油化工厂的 锅炉供水、工业废水和矿井苦咸水的处理与回收【1 9 】。其流程示意图如图卜2 所 示。 循环盐水 图1 2多级闪蒸流程示意图【8 1 f i g u r c1 2 p r o c e s sn o wd i a g r 锄o fm u l t i p l es t a g e sf l a s h 多级闪蒸的基本原理是将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸 室内进行蒸发，并将蒸发的蒸汽用于加热循环的海水，同时蒸汽冷凝成淡水。多 级闪蒸技术是海水淡化技术中最为成熟的技术，设备整体性好，运行安全性高， 适用于大型和超大型淡化装置。多级闪蒸技术在海湾国家应用的比较多。这得益 于两个原因，一是该地区的石油资源丰富，利用丰富廉价的油田气发电，建立水 电联用系统，能源费用极低。另一方面，海湾水的高温、高盐度和高污染，特别 是石油污染限制了反渗透技术在该地区的应用f 2 0 】。在我国，大港电厂于19 8 9 年 l o 月从美国e s c o ( 环境系统公司) 引进的日产3 0 0 0 吨的多级闪蒸海水淡化装 置与离子交换结合，解决了锅炉补给水的供应。 1 3 1 3 压汽蒸馏1 1 2 】( v c ) 压汽蒸馏技术虽发明较早，但在7 0 年代以前的3 0 年中发展缓慢。随着压汽、 密封、传热技术的提高，7 0 年代初开始迅速发展起来。 该方法是利用机械压缩机把蒸汽压缩，使之升压和升温( 温度升高1 0 左 右) 并作为加热和使海水蒸发的热源，因此，压汽蒸馏在运行之后不用外部提供 加热蒸汽，靠机械能转化为热能。其原理图如图1 3 所示【l7 1 。该过程效率高、比 能耗较低，而且过程不需要冷却水，结构紧凑，但压缩机的造价较高，设备容易 腐蚀结垢，由于压缩机能力的限制，难于进一步大型化。 9 第一章文献综述 图1 3压汽蒸馏不意图 f i g u r e1 3p r o g r e s sf l o wd i a 伊锄o fv 印o rc o m p r e s s i o nd i s t i l l a t i o n 1 3 1 4 太阳能蒸馏法 该法是直接利用太阳能的辐射能量加热海水，并使其表面汽化蒸发，冷凝后 得到淡水，或利用太阳能作为能源和其它海水淡化方法有机结合生产淡水的方 法。太阳能蒸馏法分为直接法和间接法【2 。直接法是太阳热直接作用于海水而 立即蒸发的过程。间接法是先把太阳热收集起来，然后再为其它淡化装置提供能 源。另外，还可以将太阳能与冷冻法相结合对海水进行淡化【2 2 2 4 1 等等。太阳能 海水淡化装置规模不大，适用于日照强度大的海岛及边远地区淡水的生产。 1 3 1 5 膜蒸馏【1 3 】 该方法利用憎水( 疏水) 性微孔膜为介质，膜两侧水溶液都不能通过膜孔进 入另一侧，只有热溶液蒸发的水蒸气在膜两侧水蒸气压力差的驱动下，才会通过 膜孔从热侧进入冷侧，并在冷侧冷凝，从而达到水的分离。此法所得到的淡水纯 度较高。由于海水组分很多，膜可能被亲水化而失去作用。因此膜蒸馏更适用特 殊要求的分离，尤其是高附加值产品的分离，用于苦咸水或海水的淡化并不经济。 1 3 2 膜法 膜法海水淡化技术是利用膜分离技术进行海水淡化，主要分为反渗透法和电 渗析法。 1 3 2 1 反渗透法 反渗透法是以压力差为驱动力除盐的淡化方法。在反渗透器中，在海水的一 第一章文献综述 侧施加高于渗透压的压力，使水分子透过半渗透膜，在另一侧得到淡水。由于反 渗透法没有相变，故其能耗小。但由于膜孔易被堵塞，所以必须对海水进行严格 的预处理，否则将会引起膜的污染，影响反渗透装置的正常运转，使膜的正常清 洗次数增加，膜的更换周期缩短，最终加大了反渗透海水淡化的成本。 1 3 2 2 电渗析法 电渗析的工作原理是在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜而迁 移，使电解质离子自溶液中部分分离，当电解质浓度高时，电流密度大，淡化一 吨水的成本也就高。因此电渗析广泛应用的领域是苦咸水脱盐制取生活饮用水， 自来水和低浓度苦咸水脱盐直接制取低压锅炉给水，生产工艺用水或冷却水。电 渗析用于废水处理，可回收生产冲洗用水或工艺用水1 2 5 1 。 电渗析主要有填充床电渗析、频繁倒极电渗析、液膜电渗析等。电渗析技术 的优点是对原水含盐量变化适应性强，操作简单，水的利用率高。但是由于电渗 透过程对不带电荷的物质如有机物、胶体、细菌悬浮物等无脱除能力，故电渗析 用于淡化制备饮用水不是最理想的方法【l2 1 ，同时电渗析技术需要大量的电能，不 适用于大型海水淡化装置。 膜法海水淡化技术在我国也有应用，2 0 世纪7 0 年代曾生产电渗析海水淡化 装置，8 0 年代以后，广泛采用反渗透技术进行自来水或苦咸水的脱盐制取锅炉 补充用水、超纯水等。进入9 0 年代，我国先后建成浙江省嵊泗县嵊山镇5 0 0m 3 d ， 长海县大长山岛1 0 0 0m 3 d ( 后扩成1 5 0 0m 3 d ) 【26 l ，大连獐子岛5 0 0m 3 d 、山东长 岛1 0 0 0m 3 d 2 7 ，2 引、威海华能电厂两台每台1 0 0 0m 3 d 、大连华能电厂两台每台 1 0 0 0m 3 d ，大亚湾马鞭岛及嵊泗县马迹山岛1 2 9 】等多台反渗透海水淡化装置。 1 3 3 溶剂萃取法 某些有机溶剂，如三乙胺，在低温下能溶解一定量的水，而当温度升高时， 又能将溶解的水分离出来。该法的优点是操作温度接近室温，能量消耗低，设备 腐蚀轻。缺点就是溶剂在水中有一定的溶解度，影响淡水水质。 1 3 4 水合物法 某些气体化合物，如丙烷等，与水不互溶，但在低温下能与水形成多分子的 水合晶体( 如c 3 h 8 17 h 2 0 ) ，利用这一特性进行海水淡化。但是，该方法的结晶粒 子小，分离、洗涤和输送较困难，淡水水质也较差。 第一章文献综述 1 3 5 离子交换法 利用离子交换树脂的活性基团，与盐水中的阴、阳离子进行交换取得淡水的 方法。盐水经过阳离子交换树脂后，阳离子被树脂中的h + 取代；再经过阴离子 交换树脂，则阴离子又被树脂中的o h 一取代。h 十与o h 。结合成水，盐水中的盐则 被除去3 0 1 。此法成本较高，仅作为制取少量应急用水的方法。 1 3 6 吸附法 吸附法是利用吸附剂的微孔结构使某些小分子物质可以通过而大分子物质 不能通过的特性有选择的吸附海水中的有机物、杂质及盐类，从而降低海水的盐 度。 1 3 7 冷冻法 海水在结冰时，盐分被排除在冰晶以外，将冰晶洗涤、分离、融化后即可得 到淡水。利用这一原理进行海水淡化的方法，即为冷冻法。冷冻法工艺主要包括 冰晶的形成、洗涤、分离、融化等。其中，按冰晶形成的途径不同可分为天然冷 冻法和人工冷冻法，人工冷冻法又可分为直接冷冻法和间接冷冻法。比较而言， 间接冷冻法传热效率较低，且需要较大的传热面积。 1 3 7 1 天然冷冻法 在高纬度地区，利用冬天温度低这一自然环境条件使海水自然冷冻结冰，取 冰融化而得到淡水，即为天然冷冻法。由于完全利用天然气候条件使海水冻结， 此过程不需要任何外加能量。 天然冷冻法中海冰的形成和发展受海面状况和大气条件的变化影响很大，一 方面海冰仍然具有一定的含盐量，另一方面同一海冰的含盐量随着冰厚会发生变 化3 1 ，3 2 1 。因此，为了有效的利用海冰作为淡水资源，需要进一步对海冰进行脱 盐处理。 1 3 7 2 人工冷冻法 人工冷冻法可分为间接冷冻法( 利用低温冷冻剂与海水进行间接热交换使海 水冷冻结冰) 和直接冷冻法( 冷冻剂或称冷媒与海水直接接触而使海水结冰) 0 根据冷冻剂的不同，直接冷冻法又可分为冷媒直接接触冷冻法和真空蒸发式 直接冷冻法。 1 、冷媒直接接触冷冻法( d r f ) 该方法的原理如图1 4 所示【3 3 】，以不溶于水、沸点接近于海水冰点的正丁烷 第一章文献综述 为冷冻剂，与预冷后的海水混合进入冷冻室中。在压力稍低于大气压的情况下， 正丁烷汽化吸热，使冷冻室内温度维持在一3 左右，海水冷冻结冰。正丁烷