（环境工程专业论文）光辐射表面挥发海水及苦咸水淡化法实验研究.pdf

摘要 水资源紧缺、水土流失严重和水环境恶化已成为制约人类社会发展的主要因素，作 为基础性自然资源的水，早已成了公共性的社会资源和战略性经济资源，而且具有全球 性。作为2 1 世纪一项新兴高新技术产业，海水及苦咸水的淡化是一个保护资源、创造 资源的有效方法。无论是缓解缺水问题，还是发展高新技术，都会有很好的经济效益和 社会效益 本论文主要关注海水及苦咸水淡化的原理及技术问题，提出一种新的海水及苦咸水 淡化方法思路，以图解决现行淡化技术应用中的突出问题，即高能耗、运行容器设备腐 蚀，以及膜法分离中的膜造价高且使用期有限等。这些问题的存在限制了海水及苦咸水 淡化在我国的应用和推广。 本文依据光辐射表面挥发海水淡化思路，通过实验研究，考察了光辐射表面挥发的 基本性质，光源及辐射波长，物质结构等因素；研究了模拟实验装置淡化效率，研究结 果表明，促使液面水分子挥发的光辐射能量应处于红外段并具有特定的波长，阻碍水分 子表面挥发的主要能量是分子间的氢键能，水吸收红外的能量主要用于对氢键的破坏。 因此，用红外辐射作为激发光源是切实可行的。通过对比不同的光源以及热源对与海水 挥发的影响，在相同条件下，光照对于促进海水挥发效果非常显著；在淡化过程中，挥 发速率不受盐水浓度的影响。 光辐射表面挥发淡化技术具有现行海水淡化技术无可比拟的优点，同时为利用太阳 能海水淡化方法提供了新的思路，因此可以将其作为一种新的海水淡化新思路加以深入 研究。 关键词：光辐射；表面挥发；海水及苦成水；淡化；模拟装置 a b s t r a c t t h es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e ，s e r i o u ss o i le r o s i o na n dt h ed e c l i n a t i o no fw a t e r e n v i r o n m e n th a v eb e c o m et h em a i nr e s t r a i n i n gf a c t o r sf o rt h ed e v e l o p m e n to fh u m a ns o c i e t y a san e wh i g ht e c h n i c a li n d u s t r y , t h ed e s a l i n a t i o no fs e aw a t e ra n db i r e rs a l tw a t e ri sa n e f f i c i e n tw a yt op r o t e c tr e s o u r c ea n dc r e a t er e s o u r c e t h i sp a p e ri sf o c u so nt h ep r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g yf o rd e s a l i n a t i o no fs e aw a t e ra n d b i t t e rs a l tw a t e r ；p u tf o r w a r dan e w t h i n k i n gt ot h ed e s a l i n a t i o nw h i c h i su s e dt os o l v et h ek e y p r o b l e m t h ee x i s t i n gp r o b l e mi nt h eg o i n gd e s a l i n a t i o nw a y ss u c ha sh i g hc o n s u m p t i o no f e n e r g y , c o r r o s i o nt ot h ee q u i p m e n tw h i l es a l tw a t e ri sh o t ，h i g h e rp r i c ea n ds h o r t e ru s e f u ll i f e f o rt h em e m b r a n ew h i c hi su s e di nt h em e m b r a n es e p a r a t et e c h n o l o g y t h e s ep r o b l e m sl i m i t t h ed e s a l i n a t i o nm e t h o dt os p r e a da n da p p l i c a t i o ni nc h i n a t h i sp a p e ri sb a s e do nt h et h i n k i n g o fl i g h tr a d i a t et h el i q u i ds u r f a c ed e s a l tt h es e a w a t e r s t u d yo nt h eb a s i cc h a r a c t e ro fl i g h tr a d i a t e ，l i g h ts o u r c e ，r a d i a t i o nw a v e l e n g t ha n d s t r u c t u r eo f m a t e r i a lt h r o u g he x p e r i m e n t ；o nt h ed e s a l te f f i c i e n c yo fs i m u l a t ee x p e r i m e n t d e v i c e t h er e s u l t sf r o mt h ep r e s e n ti n v e s t i g a t i o ns u g g e s tt h a tt h es p e c i f i cw a v e l e n g t hw h i c h a c c e l e r a t e st h ev o l a t i l i z a t i o no f w a t e rm o l e c u l a rs h o u l dl o c a t ei nt h ei n f r a r e dr e g i o n t h em a i n e n e r g yw h i c hi m p e d e st h ew a t e rm o l e c u l a rt ov o l a t i l i z ei st h eh y d r o g e nb o n d t h ee n e r g y a b s o r b e db yw a t e ri sm a i n l yu s e dt od e s t r o yt h eh y d r o g e nb o n d u s i n gt h ei n f r a r e dw a v e l e n g t h a sr a d i a t e dl i g h ts o u r c ea sp r a c t i c a l t h ed i f f e r e n tl i g h ts o u r c ea n dh e a ts o u r c es h o wt h a ti nt h e ，s a m ec o n d i t i o nl i g h th a ss i g n i f i c a n te f f e c tt oa c c e l e r a t e 。t h ev o l a t i l i z a t i o no fs e a w a t e r i nt h e p r o c e s so fd e s a l i n a t i o n ，t h er a t eo f v o l a t i l i z a t i o ni sn o ti n f l u e n c e db yt h ec o n c e n t r a t i o no f s a l i n e l i g h tr a d i a t et h el i q u i ds u r f a c ed e s a l i n a t i o nt e c h n i c a lh a si t si n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e st o t h eg o i n gd e s a l tm e t h o d s ，i nt h es a m et i m ei tp r o v i d ean e wt h i n k i n gf o rs o l a rd e s a l i n a t i o n i t s h o u l ds t u d yi n d e p t ha san e wt h i n k i n go fd e s a l i n a t i o n k e yw o r d s ：l i g h tr a d i a t e ；s u r f a c ev o l a t i z e ；s e a w a t e ra n db i t t e rs a l i n e ；d e s a l i n a t i o n ；s i m u l a t e d e v i c e i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：夕参璃吞年s 玛习日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：夕参萌苞w 年r 月) j 7 日 导师签名：椤卅彼夕哪年，月矿曰 本文依托国家自然科学基金资助项目( 批准号：5 0 6 7 9 0 0 3 ) 长安人学硕十学位论文 第一章前言 作为2 1 世纪一项新兴高新技术产业，海水淡化是一个保护资源、创造资源的有效 方法。无论是缓解缺水问题，还是发展高新技术，都会有很好的经济效益和社会效益。 从长远来看，发展淡化技术，从海洋获取淡水是解决水资源短缺的重要途径。 1 1海水淡化的背景以及意义 不久以前，人类还沉迷于淡水是自然界取之不尽的无偿品的神话，然而，工业化的 蓬勃发展、人口的急剧增加、全球气候变暖加剧降水的不均匀性无情地粉碎了这个神话。 淡水危机甚至比粮食危机、石油危机还要来势汹汹，解决淡水资源问题已提到了人类的 议事日程【。 水资源紧缺、水土流失严重和水环境恶化已成为制约人类社会发展的主要因素，作 为基础性自然资源的水，早已成了公共性的社会资源和战略性经济资源，而且具有全球 性。2 0 0 6 年9 月8 日世界卫生组织和联合国儿童基金会在日内瓦发布联合报告指出，全 球有三分之一的人缺水，1 1 亿人喝不到清洁饮用水；2 0 0 5 年全球约有1 6 0 万名5 岁以 下儿童因饮水等不卫生原因而死亡【2 】。毋庸置疑，水成了全人类社会与经济发展的制肘。 斯德哥尔摩“世界水周”刚刚落下帷幕，由我国建设部与国际水协共同主办的以“保障水 安全，促进水资源可持续利用，应对全球水管理面临的挑战，实现人类与水环境和谐” 为主题的第五届世界水大会最近又在北京召开【3 1 。 我们生存的星球有三分之二都被海洋覆盖，那么能不能从浩瀚的海洋中提取出淡水 以解决目前日益严峻的世界性水问题昵? 面对日益严峻的缺水形式和传统方式捉襟见 肘的调水措施，向大海索取淡水，缓解世界性水危机，不仅已在全球科技界形成共识， 也已成为各临海国家政府主张与开发新水源的对策。 科学家指出：人类缺水情况越来越严重并非是地球缺水。地球表面的7 0 被水所覆 盖，但其中只有3 是淡水。而人类能够享用的又是其中的0 3 ，其余2 7 的淡水难 以为人类所利用。他们认为到2 6 2 5 年。世界上将有4 8 个国家，3 0 亿人口面临缺水i 到 2 0 5 0 年。将有5 4 个国家。4 0 亿人口严重缺水。而解决淡水缺乏的唯一出路在于把极为 丰富的海水变为淡水【4 l 。 海水淡化即利用海水脱盐生产淡水。是实现水资源利用的开源增量技术，可以增加 淡水总量，且不受时空和气候影响，水质好、价格渐趋合理，可以保障沿海居民饮用水 和工业锅炉补水等稳定供水。 第一章前言 海水淡化和海水直接利用是海水资源利用的一个重要领域，不仅对于解决当前我国 水资源紧缺有重大现实意义，而且对于可持续发展也是一个重要因素。作为地球上的一 种水资源而言，海水资源是不存在资源危机的，主要是开发技术能力和水质保护问题， 因此对于任何海洋国家或地区来说，其利用潜力极大，并且愈来愈的到一些沿海国家的 高度重视。 1 2 国内外海水及苦咸水淡化技术的研究与现状 1 2 1 国外海水及苦成水淡化技术的现状 海水淡化已成为解决全球水资源短缺的重要途径。目前，全世界有一百二十多个国 家和地区采用海水或苦咸水淡化技术取得淡水，建成的海水淡化厂达一万多座，平均每 日淡化水生产能力约四千万吨。据统计，海水淡化系统与生产量以每年1 0 以上的速度 在增加【5 1 。亚洲国家如日本、新加坡、韩国、印尼与中国等也都积极发展或应用海水淡 化作为替代水源，以增加自主水源的数量。 全球生产的淡化海水约8 0 用于饮用水，解决了一亿多人的供水问题，即世界上平 均每6 0 人当中就有一人靠淡化水生活。尤其在中东地区和一些岛屿地区，淡化水在当 地经济和社会发展中发挥了重要作用。以色列7 0 的饮用水源来自于海水淡化水，2 0 0 5 年日产海水淡化水量达7 3 8 万立方米；阿联酋饮用水主要依赖海水淡化水，2 0 0 3 年日 产海水淡化水量5 4 6 6 万立方米；意大利西西里岛5 0 0 万居民，2 0 0 5 年日产海水淡化 水量为1 3 5 万立方米，约占全部可饮用水源的1 5 - - 一2 0 t 6 1 。 目前全球海水淡化的市场年成交额已达到数十亿美元。著名的海水淡化公司有：法 国s i d e m 公司、英国w e i r 热能公司、韩国斗山重工公司、以色列i d e 公司、意大利 f i s i a 公司等。截止到2 0 0 3 年1 2 月，全球已有1 3 0 多个国家应用海水淡化技术，海水 淡化日产水量约3 7 7 5 万立方米。其中，8 0 用于饮用水，解决了1 亿多人的供水问题 4 - 5 1 o 1 2 2 国内海水淡化的现状。 中国是水资源大国，同时也是人均水资源贫国。中国水资源总量为2 8 1 2 4 亿m 3 ， 居世界第六位，而人均水资源量仅为2 2 2 0 m 3 ，处于缺水上下限( 3 0 0 0 - - 1 0 0 0 m 3 人) 之 间，排在世界第1 0 0 位之后，被联合国列为1 3 个最贫水国之一【7 】。而水污染严重更加剧 了水资源短缺。由于我国淡水资源分布不均和社会经济发展不平衡等原因，造成部分地 区淡水资源严重紧缺。全国有3 0 0 多个城市缺水，5 0 多个城市严重缺水，每年造成直接 长安人学硕十学位论文 经济损失数亿元。据有关部门估计，2 0 0 0 年全国城市缺水量已达4 0 0 亿m 3 ，全国因缺 水影响的国民经济产值达2 4 0 0 亿元人民币。按计划，我国到2 0 3 0 年国内生产总值要在 目前约8 万亿元的基础上翻三番，而据预测，我国人口在2 0 3 0 年左右将达到峰值1 6 亿， 届时人均水资源量只有1 7 5 0 立方米，将列入严重缺水的国家，在充分考虑节水的情况 下，估计届时用水总量为7 0 0 0 亿r n 3 - - 8 0 0 0 亿m 3 ，预计用水量已经接近可利用水量的 上限，至2 0 3 0 年前中国工业缺水量将达到6 0 0 亿m 3 以上，对我国的水资源供应提出了 更为严峻的挑战。如果不采取有力措施，我国有可能在未来出现严重的水危机【3 】。 与水资源短缺的现实相比，我国水资源利用方式粗放，在生产和生活领域存在严重 的结构型、生产型和消费型浪费，用水效率不高，节水潜力巨大。2 0 0 3 年我国万元g d p 用水量为4 6 5m 3 ，是世界平均水平的4 倍；农业灌溉用水有效利用系数为o 4 0 5 ，发 达国家为o 7 0 8 ；全国工业万元增加值用水量为2 1 8m 3 ，是发达国家的5 1 0 倍；水 的重复利用率为5 0 ，发达国家已达8 5 ；全国城市供水管网漏损率达2 0 左右，仅 城市便器水箱漏水一项每年就损失上亿m 3 【引。 我国在污水处理回用、海水、雨水利用等方面也处于较低水平。而蓄水、跨流域调 水、开采地下水等传统措施只能实现水资源的时空移位，不能增加水资源的总量，不能 从根本上解决我国严重缺水的现实问题。随着海水淡化科技日益进步，成本开始降低， 许多面临水荒问题、正积极开拓新水源的地区，也开始把目光投向了浩瀚无边的海洋。 我国拥有世界上最长的海岸线，海水资源丰富，对这个取之不尽，用之不竭的大水库， 我们不可能视而不见。 1 9 5 8 年，我国开始了海水淡化工程技术的研究工作。近2 0 年来，已经实施了一批 中小工程，截至目前，共有海水淡化工程2 0 多项，其中山东黄岛发电厂、河北黄骅发 电厂、大连石油七厂、天津经济技术开发区、山东烟台市、河北王滩电厂是已投产和将 投产的较大规模海水淡化企业。小型的以膜法为主，较大型的以蒸馏法为主，累计生产 能力在同产3 万吨左右【7 1 。 虽然我国已有十几个城市丌始采用海水淡化的方法，补充淡水资源短缺。但由于海 水淡化工厂的建设、运行成本相对较高，又没有水资源和市政供水设施的政策性补贴， 其综合成本一般都比较高，这也是国内许多专业人士对海水淡化不抱希望的主要原因。 从目前我国已建成的海水淡化工厂来看，其成本在5 8 元吨之间，相对于自来水的价 格很难形成优势【9 】。 海水淡化事业的发展已得到困家领导和主管部门的高度重视，国家发改委、科技部 第一章前苦 和国家海洋局对发展我国海水淡化都发挥了重要作用。海水淡化作为重要内容被列入 国家中长期科学和技术发展规划纲要。科技部一直关注海水淡化技术的发展，在“九 五”、“十五”期间，进一步加大了对海水淡化技术研究和产业化发展的资金支持，直 接推动了我国海水淡化的技术进步和示范推广；2 0 0 4 年，国家发改委通过设立“城市节 水与海水利用”高技术产业化专项和“节能、节水和资源综合利用”重大项目，重点支持 海水淡化和海水直接利用产业化示范工程。国家海洋局更是在其职能范围内，积极组织 海水淡化的调查、宣传，同时在海水淡化的取水区域选划、环境保【l 们。 1 3 海水及苦咸水淡化技术中存在的问题 1 3 1国外海水及苦成水淡化技术中存在的问题 目前在世界范围内，海水淡化已经得到了长足的发展，呈现除了规模扩大化、装置 大型化、技术集成化、成本逐渐降低的趋势。但与此同时，世界却向着人口剧增、资源 紧缺、环境形势严峻、高科技日新月异的方向发展。因此，作为解决全球水资源紧缺的 首要方式，海水淡化也将面临其发展中不容忽视的问题【l 。 1 海水淡化所需能源的节约与更新。长久以来，用于海水淡化的能源主要以热能为 主。随着科技的发展、生存环境的恶化和地球资源的短缺，海水淡化工艺所要求的能源 也逐渐形成了以追求低能耗、无污染、洁净生产、利用可再生资源等为特点的发展趋势。 近年来，一些发达国家已研究利用太阳能、风能、海浪能、地热、磁力、核能等能源进 行海水淡化：除此以外，为了进一步节约现有资源，已有工厂将工业余热，煤炉加热加 以充分利用。但是形势的严峻要求人类并不能满足现状，将新研究成果工业化、继续开 发新能源、大力节约现有能源，这些问题已经从发达国家普及至发展中国家。 2 政府与市场的和谐调控成本。就目前而言，国外发达国家海水淡化成本已经接近 普通饮用水水平。但是诸如利用太阳能、核能等新能源进行海水淡化的成本依旧很高， 这就要求政府加强干预，尽可能的在顾及生产者利益的前提下，使成本接受大众化，从 而使新技术得以推广。市场的自动调控能力自然能不能忽视，海水淡化的普及归根结底 还要依靠市场，毕竟不能让普通人接受并使用的新技术意义就明显降低了许多。因此， 能否保证政府与市场和谐运作，也将成为制约海水淡化普及的重要因素。 3 合理利用海水资源。虽然海水被我们看做是可再生，可无限利用的资源，但在具 体到工业实践时，就难免会发生对海水的污染，以致威胁海洋生物的生存及海水的自动 调节恢复能力。吸取过去几百年工业革命先污染后治理的教训，在海水淡化领域，我们 4 长安大学硕十学位论文 更应该未雨绸缪，在研究新技术的同时，形成合理利用海水资源的理念。 1 3 2 我国海水及苦咸水淡化技术中存在的问题 当人们对海水淡化投去前所未有的关注目光时，不得不面对这样一个令人尴尬的事 实：在很大程度上，中国的海水淡化技术依然受制于人。例如，中国工程院院士、国家 海洋局杭州水处理中心高从增【1 2 】研究员认为，中国海水淡化技术水平与国外相比仍有较 大差距，相关的研究虽然起步较早，但水平低、技术创新能力较差，海水淡化所需的设 备仍依赖进口，海水淡化技术则仍处于工程示范阶段，海水淡化装置总体设计水平和系 统集成优化的水平也比较低。这种差距，主要表现在工程化进程缓慢，成果转化不足。 目前，我国每天海水淡化总产量3 万吨，仅为全球总产水量的1 o 左右。从1 9 8 5 年建成 第一个西沙电渗析海水淡化站，到千吨级乃至万吨级海水淡化示范工程，每一个台阶都 需1 0 年左右的时间【l3 1 。这种状况与我国水资源短缺的现状极不相称。 制约海水淡化产业发展的主要因素在于【6 l ： 1 对海水淡化的认识不足。我国长期以来是重陆轻海的国家，对海水淡化重视不够。 如解决沿海城市缺水问题，缺乏利用海水缓解滨海城市缺水的思路和政策引导。就拿滨 海发电厂来说，不仅可以发展海水直接的冷却利用，而且可以发展海水淡化和海水化学 物质提取的综合利用。此外，人们大多没有认识到发展海水淡化产业，开辟新水源对水 环境及其他生态环境的可持续发展的重大作用。 2 是统筹规划和政策支持不够。缺少专门的部门协调全国海水淡化产业的发展，缺 少全国统一的海水淡化等资源开发利用规划。国家对海水淡化的扶持，引导和优惠政策 不足，例如国家对自来水的定价是补贴价，使完全市场行为的海水淡化难以与其竞争。 由于淡化造水与跨域调水没有统一的成本核算标准，淡水价格偏低，使海水淡化技术难 以被企业所采用。 3 政策刚性不够，影响推广应用。尽管海水淡化已经列入国家鼓励发展的技术和产 业指南，但海水淡化还是没有列入我国的水资源规划，更没有刚性政策促进其发展。例 如国家对风能发电采取补贴上网的方式，而海水淡化却没有相应的政策，因而使得原本 有条件使用海水淡化的地区和用户缺乏积极性。海水淡化产业的发展急需国家将其纳入 水资源规划并给予积极的扶持。 4 产业规模和应用数量偏小。我国水资源的管理部门条块分割，在海水淡化产业上 还没有形成行业的主管部门，没有国家的直接投资，使得海水淡化产业难以形成规模。 以上因素导致我国的海水淡化产业发展十分缓慢，表现在海水淡化及其技术装备的 第一章前言 黧薯= ：矾， 巨： i 墙漫一除涅c 执壤i d i f i c i r t i o 护d 槭d j f i c i 嗽) 6 长安人学硕十学位论义 1 4 2 海水及苦成水分离淡化技术的发展历史 海水淡化是人类追求了几百年的梦想。早在世界大航海的时代，英国王室就曾悬赏 征求经济合算的海水淡化方法。时至今日，海水淡化的方法虽然有了数百种之多，生产 出的淡水也风味各异，但以经济合算的标准衡量，仍然不尽如人意。 表面看海水淡化很简单，只要将咸水中的盐与淡水分开即可。最简单的方法，一个 是蒸馏法，将水蒸发而盐留下，再将水蒸气冷凝为液态淡水。这个过程与海水逐渐变咸 的过程是类似的，只不过人类要攫取的是淡水。它是最早提出并付诸实用的海水淡化技 术。1 5 9 3 年就提出使用蒸馏法生产淡水已解决远航船只的用水问题。第二次世界大战期 间，出于战争的需要，用蒸馏法淡化海水技术有较大的发展，已用于供应战舰和岛屿的 淡水。另一个海水淡化的方法是冷冻法，冷冻海水，使之结冰，在液态淡水变成固态的 冰的同时，盐被分离了出去【l 引。两种方法都有难以克服的弊病。蒸馏法会消耗大量的能 源，并在仪器里产生大量的锅垢，相反得到的淡水却并不多。这是一种很不划算的方式。 冷冻法同样要消耗许多能源，得到的淡水却味道不佳，难以使用。 1 9 5 3 年，新的海水淡化方式一反渗透法问世。这种方法利用半透膜来达到将淡水与 盐分离的目的。在通常情况下，半透膜允许溶液中的溶剂通过，而不允许溶质透过。由 于海水含盐高，如果用半透膜将海水与淡水隔开，淡水会通过半透膜扩散到海水的一侧， 从而使海水一侧的液面升高，直到一定的高度产生压力，使淡水不再扩散过来。这个过 程是渗透。如果反其道而行之，要得到淡水，只要对半透膜中的海水施以压力，就会使 海水中的淡水渗透到半透膜外，而盐却被膜阻挡在海水中。这就是反渗透法。反渗透法 最大的优点就是节能，生产同等质量的淡水，它的能源消耗仅为蒸馏法的1 4 0 。因此， 从1 9 7 4 年以来，世界上的发达国家不约而同地将海水淡化的研究方向转向了反渗透法 【1 8 】 在新兴的反渗透法研究方兴未艾的时候，古老的蒸馏法也改弦易辙，重新焕发了青 春。常识告诉我们，水在常温常压下要加热到1 0 0 才沸腾，产生大量的水蒸气。传统 的蒸馏法只考虑了通过升高温度获得水蒸气的方式，耗能甚巨。而新的方法是将气压降 下来，把经过适当加温的海水，送入人造的真空蒸馏室中，海水中的淡水会在瞬间急速 蒸发，全部变成水蒸气n 引。许多这样的真空蒸馏室连接起来，就组成了大型的海水淡化 工厂。如果海水淡化工厂与热电厂建在一起，利用热电厂的余热给海水加温，成本就更 低了。 第一章前言 1 5 海水及苦咸水淡化技术的现状 1 5 1国外海水及苦咸水淡化技术的现状 经过五十余年的发展，世界上海水淡化技术日趋成熟，多级闪蒸( m s f ) ，多效蒸馏 ( m e d ) 和反渗透( r o ) 是目前海水淡化领域的三大主流技术。目前，世界上脱盐水产量近 4 x 1 0 3 m 3 d ，其中m s f 和r o 各占市场的4 5 左右，解决了1 亿多人1 2 1 的供水问题。全 球海水淡化总容量已经从1 9 6 5 年日产不到1 0 0 万立方米增加到1 9 9 4 年底的日产1 9 2 0 万立方米，并已拥有日产1 0 0 立方米以上的淡化装置1 0 3 0 0 个2 0 1 。中东地区增长最快， 欧洲次之。阿布扎比、迪拜和沙加等城市通过海水淡化不但解决了居民用水，而且实现 了沙漠变绿洲的愿望。 海水淡化已是解决全球水资源危机问题的重要途径，尤其在中东地区和一些岛屿地 区，淡化水在当地经济和社会发展中发挥了重要作用，已成为其基本水源。 随着社会的需求和技术的发展，国外海水淡化工程不断向大型化、规模化方向发展， 无论是多级闪蒸，还是多效蒸馏和反渗透，其规模均已从最初的几百m 3 d 发展到现在 的几十万m 3 d 目前，世界上最大的多级闪蒸海水淡化厂建于沙特阿拉伯的s h u a i b a 海 水淡化厂，日产淡水4 6 万m 3 ；世界上最大的低温多效海水淡化厂建于塔维拉酋长国， 日产淡水2 4 万m 3 ；世界最大的反渗透海水淡化厂建于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m 3 【2 2 】。 在海水淡化规模不断增加的同时，海水淡化成本也逐渐降低。其中，典型的大规模 反渗透海水淡化吨水成本己从1 9 8 5 年的1 0 2 美元降至2 0 0 5 年的4 8 美分【2 1 1 。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，目前各占总成本的1 3 。 1 5 2 国内海水及苦咸水淡化技术的现状 鉴于淡水资源问题的深刻认识，我国海水淡化技术的研究起步较早，1 9 6 7 年 - 1 9 6 9 年全国组织海水淡化会战，同时开展了电渗析、反渗透和蒸馏等多种海水淡化技术方法 的研究。1 9 7 4 年在天津建立了同产1 0 0m 3 的多级闪蒸实验装置，实验时，同产淡水7 2m 3 。 1 9 7 7 年大连工学院建成了日产1 0m 3 的竖管多效多级蒸发模拟装置；1 9 8 1 年建成西沙 2 0 0 m 3 d 电渗析海水淡化装置；1 9 8 6 年天津大港发电厂从美国引进2 台每台日产淡水 3 0 0 0m 3 的多级闪蒸装置，同年在西沙永兴岛建成日产2 0 0m 3 、每立方米耗电1 6 度的电 渗析淡化站，其规模为世界之首；1 9 9 7 年2 0 0 0 年期间，先后建成了5 0 0 m 3 d 、1 0 0 0 m 3 d 反渗透海水淡化装置：2 0 0 3 年，山东荣成r 产1 0 0 0 0 m 3 级反渗透海水淡化示范工程一期 长安火学硕十学位论文 5 0 0 0 m 3 d 机组建成投产；2 0 0 4 年，低温多效海水淡化示范工程项目3 0 0 0 m 3 d 低温多效 海水淡化装置在青岛的黄岛电厂建成2 4 1 。经过近4 0 年的研发和示范，我国海水淡化技 术已日趋成熟，为大规模应用打下了良好基础。我国已成为世界上少数几个掌握海水淡 化先进技术的国家之一。 据不完全统计，截止2 0 0 6 年6 月底，我国已建成投产的海水淡化装置总数为4 l 套， 合计产水能力1 2 万m 3 d 。已建成投产的4 1 套海水淡化装置，主要分布在山东、辽宁、 浙江、河北和天津等地【5 1 。 在国内已建成投产的海水淡化装置中，反渗透法和低温多效蒸馏法为主流，其产水 量占总产水量的9 5 ，多级闪蒸蒸馏法( m s f ) 约占5 ，而电渗析法( m e d ) 和压汽蒸馏 ( v c ) 合计尚不足1 【6 1 。从我国实际应用情况来看，反渗透海水淡化技术应用于市政供 水具有较大优势，而对于具有低品位蒸汽或余热可利用的电力、石化等企业来说，制备 锅炉补给水和工艺纯水，则采用低温多效蒸馏技术也具有一定的竞争优势1 2 】。 能量回收、变频控制等技术的应用，使反渗透海水淡化工程能耗大幅降低。1 9 9 7 年以来，我国先后采用了透平式能量回收装置和压力交换式能量回收装置等，而我国具 有自主知识产权的能量回收技术和装置已进入开发阶段。我国还自行研究和开发了连续 微滤或超滤技术用于预处理中；在杭州和贵阳建立了二条反渗透复合膜生产线，设计膜 生产能力达2 0 0 万m 3 年；研究开发了海水淡化复合膜组器：海水淡化用膜压力容器已 基本实现国产化；已具有了较强的海水淡化工程设计成套能力2 5 2 7 1 。 1 5 3 海水及苦成水分离淡化技术的发展趋势 1 国外应用海水淡化技术【2 8 3 0 1 的国家在不断增加建设规模、降低生产成本的同时， 还不断在集成化、深层化方向上对海水淡化技术进行开发。其中，水电联产、热膜联产 等多种技术相结合的集成化可有效降低海水淡化生产成本，是未来海水淡化技术的主要 发展趋势。 2 海水淡化技术的发展现在主要进入了一个节能、环保、防垢、高效的阶段，为了 更好的实现绿色环保的发展战略，必须进一步的运用多种手段来对海水淡化技术作进一 步的改进和提高。 3 不断完善工程优化技术。能够降低造水成本，将是努力的方向之一。 4 新材料、新工艺的采用使装置性能提高，显著降低海水淡化装置的制造费用和提 高装置性能。 5 开发新的替代能源。 9 第一章前言 1 6 海水及苦咸水分离淡化技术简介 1 6 1 蒸馏法 蒸馏法是最早采用的海水淡化技术，是海水淡化最主要的方法。蒸馏法虽然是一种 古老的方法，但由于技术不断地改进与发展，该法至今仍占统治地位。蒸馏法海水淡化 法是将海水加热蒸发，再使蒸汽冷凝得到淡水的过程。蒸馏法具有其他淡化方法不可比 拟的特点【3 1 】：设备简单可靠；受原水浓度限制较小，即当料液浓度变化时，蒸发过程的 条件改变不大，能耗变化较小，故蒸馏法更加适合于海水及高浓度苦咸水淡化；海水蒸 发所得的水就是蒸馏水，水质纯度较高，产品水含盐量为2 1 0 m g l ；直接利用热能， 避免了能量转换过程的损耗，可利用低压蒸汽、废可燃气体、熔炉废热、温泉热等可利 用余废热的场合，较为经济；装置迸水可不经预处理直接由海水提供；设备容量大，故 该装置多设于沿海的火力发电厂、核电站。其缺点是设备费用高，存在设备、管路结垢 与腐蚀问题。 蒸馏法根据流程和设备的不同可分为多效蒸馏法、压气蒸馏法、多级闪蒸法等。 1 多级闪蒸技术是迄今应用最广、规模最大、最为成熟的海水淡化技术。同年多级 闪蒸淡化工厂在科威特建成。其原理是将海水加热到一定温度后引至压力较低的闪蒸室 骤然蒸发，依次再进入压力更低的闪蒸室骤然蒸发，产生的蒸汽在海水预热管外冷凝而 得淡水。热海水流经压力逐级降低的多个闪蒸室，逐级蒸发，多级闪蒸因而得名【3 2 1 。 m s f 的流程主要由两个系统组成：一个是加热系统，一般用蒸汽回流做热源；另一为闪 蒸系统，即多级闪蒸室。多级闪蒸海水淡化装置的加热器外置，由蒸汽在压力条件下加 热海水到预定温度。热海水逐级流入真空递增的闪蒸室内，由于海水温度高于闪蒸室内 温度，海水吸收自身显热而部分沸腾蒸发，直至其余海水温度降到对应于闪蒸室压力的 饱和温度为止。这种蒸馏装置的特点是海水沸腾蒸发是在无换热面的特定空间( 闪蒸室) 中进行，所以庞大主体( 各级闪蒸室) 几乎不结垢，只有外置加热器会结垢，这样，相 对其它蒸馏装置( 如m e d 、v c ) 而言，该装置运行较为安全可靠【3 1 1 。 采用多级闪蒸流程时，首先使海水通过盐水集管加热，随后进入蒸发器。蒸发器内 的大气压使海水立刻沸腾成为水蒸气。水蒸气经换热成为淡化水。一级闪蒸所得淡水量 极为有限，工业上多采用多级闪蒸。典型工业装置如图1 2 所示 长安人学硕f ：学位论文 蒸汽商j 爱蒸最 澎水 冷凝水淡承 图1 2 多级闪蒸( m s f ) 示意图 在此装置中，海水从一个较高压的蒸发器进入至下一个较低压的蒸发器，可将沸腾 状态持续下去，不需增加额外热量就可最大限度地得到冷凝淡化水【3 3 1 。 每个蒸发器配有换热器，冷海水将蒸汽冷凝成淡水后再经盐水集管加热，可节约部 分能量。多级闪蒸的水处理厂通常维持盐水集管的出口温度在9 0 - 1 2 0 出口温度越 高，热效率越高，但是结垢的潜在危险性越大，而且高温会加速金属表面的腐蚀。 多级闪蒸法技术成熟，整体性好，运行安全系数较高，积垢现象有所改善，产量大， 且可大幅度降低能耗，适合于大型和超大型海水及浓盐水淡化，尤其适合于火电厂或核 电厂等具有背压汽机低温热源的大型和特大型海水淡化工程，即电水联产工程。多级闪 蒸法除了以上的优点外，它还有以下不利的地方：它对最高温度有所限制，一般不超过 1 2 0 ；所需的传热面积比多效蒸法大；生产同样量的淡水所需海水量较其他方法多一 些。多级闪蒸装置一般可达3 0 - 4 0 级，目前工艺改进主要侧重在设备材料选择和装置 简化两个方面。 2 多效蒸发( m e d ) 是继多级闪蒸法的后起之秀，适应性与多级闪蒸法相同，其 原理是：高温蒸汽与海水的温差进行热交换后，将蒸发出的水蒸气冷凝并收集而成。通 过给海水加热，纯净的水蒸气，冷凝成蒸馏水，在冷凝的同时向下一级蒸发并完成热交 换【3 4 】。 为了提高水比，可把两个或两个以上蒸馏器串联组合成为多效蒸馏海水淡化装置如 第一章前言 图1 3 所示。除第一效热媒( 蒸汽) 来自汽轮机排除的乏汽，后续各效蒸馏器的热媒均 取自前一效蒸馏器产生的二次蒸汽，这样用二次蒸汽去加热下一效蒸馏器的海水，二次 蒸汽的潜热得到利用。一般两效蒸馏装置的运转比为1 9 ：1 。蒸馏装置效数越多，造水 比越高，一般可达l o ，甚至可达到2 2 ，即l k g 蒸汽可产生2 2 k g 淡水。海水在重力作用 下进入下一效蒸发器，重复喷淋、蒸发、冷凝过程，浓海水在温度最低的末效蒸发器中 离开装置。各效的冷凝水逐级流经闪蒸罐闪蒸，生成的蒸汽作为相应蒸发器的加热汽源。 末效蒸发器中生成的一次蒸汽在冷凝器中冷凝，冷凝器中部分被预热后的海水作为供入 海水进入系统，其余部分返回大海【3 5 1 。 图1 3 多效蒸发系统流程图 m e d 方法蒸汽的产生是一个连续、多级的过程，在低温低压条件下即可进行，而 且新产生的蒸汽的热量能够为下一级蒸发所利用。只需在第一级蒸发容器中输入新的热 蒸汽，级数可以连续8 - - 1 6 级，生产效率可以用级数来衡量( 淡水产量输入水蒸汽= 级 数一1 ) 。在第一级容器中海水最高温度可达1 2 0 ，随着级数的增加逐步降低。此过程 中也可对水蒸汽进行加压使之液化，以减少热量传递损耗，进一步提高蒸汽中热量的利 用率，但设备技术条件要求更高更复杂。主要问题是容器( 如热交换器) 的腐蚀，常规容 器是垂直立式管状蒸发器( v t e ) ，长数米，直径5 c m ，管内水呈高速涡流薄膜状，热传 递充分，但同时加剧了海水对容器的腐蚀，以及c a 2 c 0 3 的结垢，致使设备寿命较短。 长安大学硕士学位论文 m e d 主要与火电厂联运，但规模般在日产l 万吨以下：这又包括两种类型，一类是 各效分列式，2 0 世纪7 0 、8 0 年代较盛行，称为竖管蒸发( v t z ) ，操作温度一般较高， 顶温1 0 0 - - 1 2 0 ，欧洲和亚洲一些火电厂都有使用；另一类是低温多效蒸馏( i t _ m e d ) ， 顶温6 5 7 0 。后者较前者更具竞争力，是蒸馏法中最节能的方法之一。目前多效蒸发 的研究多集中于提高其传热效果，制作材料，系统优化等方面。m e d 装置一般容量越 大越经济，在同等条件下，能耗和能耗比m s f 装置低，但m e d 法在应用上不如m s f 和反渗透法占有率大。代表性工程在西班牙，日产3 5 万吨【3 6 】。 3 压气蒸馏技术( v c ) 虽发明较早，但在7 0 年代以前的3 0 年中发展缓慢，随着 压气、密封、传热技术的提高，7 0 年代初开始迅速发展起来。压汽蒸馏是将蒸发出的蒸 汽适当加压，提高其温度后，再用作蒸发器的加热蒸汽并冷凝成淡水的过程【3 引。 v c 用电或蒸汽驱动，也属于节能的淡化方法之一。目前单机容量已达日产2 0 0 0 立 方米。低温压汽蒸馏法( l r - m v c ) 。适合于中小型规模，依赖电力，主要用于电价较低 的地方，尤其适于无热源的海岛地区。 压气蒸馏装置可分为机械压缩( m v c ) 和热压缩( t v c ) 两种。蒸馏器排除二次蒸汽 经压缩提高压力和温度，然后引回到蒸馏器加热盘中，加热管外海水，蒸馏器内海水获 得经压缩的蒸汽的潜热开始沸腾、蒸发，再送去压缩。工作原理见图1 4 。 糠 镅 嚣 图1 4 压气蒸馏汽原理图 由于蒸汽比容大，所以压汽蒸馏只能在低真空条件下工作，否则需要相当大压缩机 收容蒸汽。所以压汽蒸馏装置蒸发温度较高，易结垢，一般可用于中、小型海水淡化装 置，多为日产百吨级、千吨级。 1 6 2 结晶法 结晶法【3 7 3 9 1 是指利用两种或多种可溶性固体在同一种溶剂里溶解度的不同，而采 用结晶方法加以分离的操作方法。一般地说，将可溶性的粉末状物质经溶解、过滤、蒸 发溶剂或冷却热饱和溶液分离出晶体状态的物质叫结晶。结晶法与蒸馏法同是自海水中 第一章前苦 取水，只是蒸馏法旨在加热海水使其蒸发冷凝而得到淡水，而结晶法却是冷却海水使其 结晶再经溶化后得到淡水。结晶法又可以分为冷冻法和水合物法。 1 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。但是间接冷冻法传热效率不高，而且需要很大 的传热面积，从而限制了它的使用。 利用冷冻法进行海水淡化，即海冰淡化，具有其他海水淡化不可比拟的优点：用 蒸馏法得到的几乎是蒸馏水，即所谓的纯水，丽用冷冻法除了重离子被沉淀外，一些人 体需要的有益微量元素仍然保留在水中；节约能量，因为水的汽化热在1 0 0 时为 2 2 5 7 2 k j k g ，而水的融化热仅为3 3 4 4k j k g ，冷冻法与其他淡化方法相比能耗较低； 由于冷冻法是在低温条件下操作，对设备的腐蚀和结垢问题相对缓和；不需对海水进 行预处理，降低了成本；特别适用于低附加值的产业，如农业灌溉等；将冷冻法与 其他方法相结合，不仅减少浓盐水排放带来的环境污染问题，而且可以综合利用海水资 源，开发副产品。 2 水合物法 水合物法的海水淡化工艺至今仍在研究发展中，目前尚处于小型试验阶段。其原理 和冷冻法的原理相似，即：天然气、液化气或某些低级脂肪烃类气体及其衍生物，如甲 烷和乙烷等，在一定的温度和压力条件下，同海水混合形成拥有多个水分子且不含盐分 但含5 一1 5 ( 摩尔分数) 水合剂的笼合体即水合物，像冰的晶体一样从液相中析出。 经分离和洗涤后，用改变温度和压力的办法加以分解，使水合剂和淡水分开，而水合剂 可循环利用。 水合物法具有冷冻法的一切有点，即能耗量较低、不产生沉淀、腐蚀较轻等；缺点 亦如冷冻法，即结晶粒子小，分离及运输较困难。此法别具的主要特点是，其操作温度 可高于一般冰晶生成的温度，根据所以水合剂不同，约在0 7 - - - 1 3 4 。c 之间，因而较冷冻 法的能量损耗还要低。 1 6 3 反渗透法 反渗透法 4 0 4 5 1 诞生于1 9 5 3 年，又称为膜法。膜分离技术的发展是从2 0 世纪5 0 年 代离子交换膜的丌发和6 0 年代反渗透膜的出现开始的。经过近4 0 年的不懈努力，反渗 长安大学硕：i ：学位论文 透技术已经取得了令人瞩目的进展。目前反渗透膜与组件的生产己经相当成熟，膜的脱 盐率高于9 9 3 ，透水通量大大增加，抗污染