海水淡化技术的发展

海水淡化技术的发展海水淡化技术的发展 摘要 由于水资源紧缺问题日益突出 海水淡化技术的研究与开发将越来越显得紧迫 海 水淡化方法有很多种 本文主要介绍真空冷冻法 蒸馏法 电渗析法 反渗透法等 关键词 海水淡化 真空冷冻 蒸馏 反渗透 随着世界各国经济的高速发展以及人口的迅速增长和集中 世界各国对水的需求日益增加 而地球上的淡水资源非常有限 淡水资源缺乏已成为全球性的问题 在寻求淡水资源方面 各国纷纷把目光投向大海 据统计目前世界已有 100 多个国家水 其中严重缺水的已达 20 个 严重影响着人类生存和社会发展 海洋中水的储量为 1338 107 亿 m3 占全球的 96 8 有着巨大的水资源 如何把它变为能被人类利用的淡水 成为急需解决的问题 海水淡化就是要将高盐度的海水通过一系列的过程转变为低盐度的海水 目前海水淡化的 主要方法有 1 真空冷冻 汽相冷凝海水淡化新技术是依据海水的三相点理论 使海水同 时蒸发与结冰得一种低能耗 轻腐蚀结垢的海水淡化方法 2 蒸馏法工艺简单易于实现 但存在能耗多 成本费用高的缺 点 3 反渗透海水淡化方法是膜分离法的一种 即利用反渗透膜的分离作用使海水脱盐 过程中不存在相变 因此与蒸馏法相比能耗较低 有着很大的发展前途 成为世界高科技 竞相开发的热点 随着海水淡化技术的提高及成本的大幅度下降 世界各地正在兴建或计划兴建许多大型海 水淡化工厂 一个海水淡化的新时代已经来临 1 真空冷冻及其特点 1 1 真空冷冻原理 海水三相点是使海水汽 液 固三相共存并达到平衡的一个特殊点 若压力或温度偏离该 三相点 平衡被破坏 三相会自动趋于一相或两相 真空冷冻法海水淡化正是利用海水的 三相点原理 以水自身为制冷剂 使海水同时蒸发与结冰 冰晶再经分离 洗涤而得到淡 化水的一种低成本的淡化方法 与蒸馏法 膜法相比 能耗低 腐蚀 结垢轻 预处理简 单 设备投资小 并可处理高含盐量的海水 是一种较理想的海水淡化法 国外早在 20 世纪 60 年代就已开始研究 但目前为止尚没有商业化 主要原因在于过程中产生的三 相点蒸汽难以去除和冰晶的输送 洗涤较难 华东理工大学研究开发的真空冻 汽相冷凝 海水淡化技术采用低温金属表面 使三相点蒸汽直接冷凝成冰的方法 成功的解决了蒸汽 的去除问题 并在实验室完成了小型试验装置 真空冷冻 汽相冷凝海水淡化技术工艺包 括脱气 预冷 蒸发结晶 冰晶洗涤 蒸汽冷凝等步骤 淡 化水产品可达到国家饮用水标准 1 2 工艺研究 1 2 1 脱气 由于海水中溶有的不凝性气体在低压条件下将几乎全部释放 且又不会在冷凝器内冷凝 这 将升高系统的压力 使蒸发结晶器内压力高于二相点压力 破坏操作的进行 显然减压脱 气法适合本系统 1 2 2 预冷 海水脱气后可与蒸发结晶器内排出的浓盐水和淡化水产生热交换 预冷至海水的冰点附近 1 2 3 温度和压力 它们是影响海水蒸发与结冰速率的主要因素 1 2 4 冰 盐水是一固液系统 普通的分离方法均可使冰 盐水得到分离 但分离方法不同 得到的冰晶含盐量也不同 实验结果表明减压过滤方法得到的冰晶含盐量比常压过滤方法得到的冰晶含盐量低得多 1 2 5 蒸汽冷凝 在蒸发结晶器内 除海水析出冰晶以外 还将产生大量的蒸汽 这些蒸汽必须及时移走 才能使海水不断蒸发与结冰 2 蒸馏法海水淡化及其特点 2 1 蒸馏法原理 把海水加热使之沸腾蒸发 再把蒸汽冷凝成淡水的过程即为蒸馏法 蒸馏法是最早采用的 淡化法 其优点是结构简单 操作容易 所得淡水水质好等 蒸馏法有很多种 如多效蒸 发 多级闪蒸 压气蒸馏 膜蒸馏等 2 2 蒸馏法特点 多效蒸发是一种较早应用的海水淡化法 由于结垢和腐蚀等问题 后被多级闪蒸法所取代 2 2 1 多级闪蒸 多级闪蒸是一种在 20 世纪 50 年代发展起来的海水淡化法 其原理是海水经过预热后 进 入闪蒸室 该闪蒸室的压力低于将要进入的盐水所对应的饱和蒸汽压力 盐水进入后即因 过热而进行闪蒸 闪蒸出的蒸汽冷凝后即为淡水 由于它的安全可靠 因此发展迅速 中 东许多产油国所建的海水淡化工厂 大多采用多级闪蒸法 并且与发电厂结合 如阿联酋 建造了世界上最大的多级闪蒸海水淡化厂 就是与发电厂联合生 2 2 2 2 压汽蒸馏 利用机械压缩机把蒸汽压缩 升压和升温 温度升高 10 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后不需外部提供加热蒸汽 靠机械能转化为热能 过程效 率高 比能耗低 而且过程不需冷却水 结构紧凑 但压汽机造价较高 容易腐蚀 结垢 难于进一步大型化 2 2 3 膜蒸馏 热海水接触憎水微孔膜 由于膜另一侧温度较低 相应的饱和蒸汽压亦低 膜面上的海水 蒸发并透过膜的微孔到低压侧并在冷凝面凝结为纯度较高的淡水 膜只起到汽水分离器和 增加蒸发面积的作用 3 电渗析 电渗析是利用具有选择透过性的离子交换膜在外加直流电场的作用下 使水中的离子定向 迁移 并有选择地通过带有不同电荷的离子交换膜 从而达到溶质和溶剂分离的过程 电 渗析主要有频繁倒机电渗析 EDR 填充离子交换树脂电渗析 电渗析过程对不带电荷 的物质如有机物 胶体 细菌 悬浮物等无脱除能力 因此电渗析用于淡化制备饮用水不 是最理想的方法 4 海水反渗透淡化 反渗透海水淡化是一种以压力为驱动力的膜分离过程 是当今海水淡化领域研究 开发的 热点 3 4 1 国际反渗透淡化技术发展现状 目前反渗透膜的脱盐率高于 99 3 透水通量大大增加 抗污染和抗氧化能力不断提高 反 渗透海水淡化的技术进步表现在如下方面 4 1 1 反渗透膜的性能明显提高 目前的反渗透复合膜系采用芳香族聚胺的材料 特征水通量是 1978 年的 2 倍 盐的透过率 大约是 1978 年的四分之一 4 1 2 功交换器的研制成功 一种新型能量回收装置已经成功地用于海水反渗透淡化系统上 这种交换器是 1998 年反渗 透海水淡化技术的一个新里程碑 4 1 3 段间能量回收透平的成功应用 段间能量回收透平适合于盐含量较低的海水淡化系统 它可以增加系统的产水量或降低系 统的能量消耗 4 1 4 微滤技术用于海水预处理 4 采用微滤 或超滤 作为海水反渗透的预处理 不需加入絮凝剂 杀菌剂和余氯脱除剂等 化学药品同时也省去了保安过滤器 此技术由于改进了进水水质 不仅延长了反渗透膜的 使用寿命 而且有助于 提高系统的回收率 降低运行费用 4 1 5 纳滤技术在预处理中的应用 5 沙特阿拉伯的 SWCC 成功地开发出纳滤 NF 作为海水的预处理技术 用于脱除硬度和 总溶解固体 从而提高海水反渗透的操作压力和系统的回收率 保证膜组件的运行安全 4 1 6 淡化成本的明显下降 由于膜的性能不断提高 高压泵和能量回收装置的性能持续进步 各种预处理新工艺的不 断提出 促使设备的运行管理更为简单 更由于国际市场一体化的倾向 加大了海水淡化 工程公司之间的竞争 使得设备的投资费用不断降低 从而使反渗透海水淡化的造水成本 不断下降 4 2 国内反渗透海水淡化工程 据初步估计 国内运转产水量大于 100m3 d 的反渗透淡化装置总数量不少于 500 台 用 于海水淡化的有浙江省山镇的 500m3 d 的反渗透淡化工程 浙江省泗县马迹山的 350m3 d 的反渗透淡化工程 以及辽宁省长海县的 1000m3 d 的反渗透淡化工程 等 目前 国内海水所用反渗透复合膜均从国外进口 国产反渗透膜与国外产品还存在一定的 差距 反渗透膜是海水淡化的核心 其国产化与产业化若不能解决 势必影响我国此领域 将来的发展 淡化技术的关键在于反渗透膜具有较大的透水性和脱盐率 目前在海水淡化 中使用的反渗透膜主要有醋酸纤维素系列膜 CA 和聚酰胺系列膜 PS 它们均由有机 高分子构成 虽然具有制作工艺简单 成本低等优点 但应用于海水淡化领域也存在着一 些不足 如化学稳定性差 机械强度低等 这些缺陷限制了反渗透法处理海水技术的实用 化和产业化 无机材料本身性能的优势 使得无机膜替代有机膜应用在这方面成为可能 预计反渗透技术将是 21 世纪海水淡化的主要方法 专家普遍认为反渗透海水淡化具有投资 费省 能耗低等优点 5 结语 地球上的淡水资源危机今后将愈加严重 而海水淡化是解决水问题的唯一途径 海水淡化 的成本是人们最关心的问题 鉴于自来水价格很低 因此淡化成本就不能太高 淡化水的 成本是个很复杂的问题 它不仅与淡化方法有关 而且与工艺设计 选材 给水和淡化的 水质 比能耗 地理 当地能源价格 投资来源 管理体制有密切关系 比较各种淡化方 法 反渗透淡化法的投资费和运行费都是低的 预计反渗透技术将是 21 世纪海水淡化的主要方 法 参考文献 1JBarduhn J ChemicalEngineeingProgress1975 71 111 80 87 2 林斯清 海水和苦咸水淡化 J 水处理技术 2001 21 1 3 谭永文 萧山 500 吨 日反渗透海水淡化示范工程 J 膜科学与技术 2000 4 20 2 4MarkWilfPhDKennethKlinko J 采用新的前处理方法和改进膜性能对 KL 海水淡化系统 的影响 A 美国海 德能公司 分离膜技术应用论文集 C 1998 5HassanAM etal J TheIntenationalDesalination WaterReuse 1998 8 4 34 6 林斯青 国外海水反渗透淡化技术现状及未来 J 水处理技术 1998 124 1 浅谈我国浓海水化学资源的综合利用 摘要 海水淡化是解决淡水紧缺的有效途径之一 但海水淡化在获得淡水的 同时 需要排出大量的浓海水 浓海水大量直接排放 不可避免地会带来海洋 生态环境问题 本文结合我国 尤其是渤海湾 发展海水淡化的实际情况 探讨 了几种浓海水化学资源综合利用方案 提出了适合海水淡化事业发展和经济环 保的浓海水综合利用工艺 并强调了在进行浓海水综合利用 实现零排放的同 时 要改变海洋化工企业的生产结构 提高产品的精细化程度和附加值 只有 做到社会效益和经济效益双丰收 才能真正实现海水淡化事业的大发展 关键词 海水淡化 浓海水 化学资源 综合利用 1 概述 随着经济的快速发展 人口的增加和都市化进程的加快 加上全球气候变 暖加剧了降水的不均匀性 淡水资源明显不足 在很大程度上影响和制约许多 地方经济的发展 海水淡化技术经过半个世纪的发展 从技术上讲 已经比较 成熟 大规模地把海水变成淡水 已经在世界各地出现 我国近年来也相继建 成了多套海水和苦咸水淡化装置 预计 21 世纪将是海水淡化大发展的时代 目前适用于大型的海水淡化的方法有反渗透 SWRO 多级闪蒸 MSF 多效 蒸发 MED 无论采用哪种方法进行海水淡化 在获得淡水的同时均需排放大量 的浓海水 例如一般反渗透海水淡化中排放浓盐水是自然海水浓度的 2 倍 而 蒸馏法淡化时浓盐水浓度是自然海水浓度的 2 5 3 倍 浓盐水不仅含盐量高 而且含有海水预处理时引入的一些化学物质 如果处理不当会对土壤 地表水 海洋环境等造成污染 目前虽未见中小规模海水淡化工程对环境有明显影响的 报导 但在大型工程中 特别在封闭海域 高盐度浓海水对生态环境的影响是 显而易见的 根据国家发展循环经济 加强海洋环境保护的要求 在淡化技术 基本成熟并投入推广应用以后 浓海水利用技术的开发已成为重要课题 目前 世界上常用的浓海水处理方法可分为两大类 一类是直接排放 如 排入海洋 地表水 污水处理系统等 第二类将浓海水进行再利用 如地表灌 溉 制盐 提取化工原料等 可有效利用资源 创造一定的经济效益 2 浓海水直接排放 选择浓海水处理方法需考虑浓海水的排放量 组成 排放地的物理或地理 环境 公众接受度 投资和操作费用等因素 因此各国家和地区选择的浓海水 处理方法并不一致 在 20 世纪 90 年代中期美国膜法海水或苦咸水淡化工业中 进行的一项调查表明 137 家日生产能力超过 95m 的淡化厂中 48 将浓盐水 排人地表水 23 排人市政污水处理厂 13 的工厂浓盐水被重新应用 10 通过深井注射排入地下水 剩余 6 的工厂通过蒸发池处理浓盐水 调查还表 明 排人污水处理厂 灌溉土地 排人蒸发池的方法更适合于小规模的淡化厂 相对于浩瀚的海洋来说 海水排放的浓盐水是极微小的一部分 因此将浓 盐水直接排人海洋是当前最经济的方法 一般不会对海洋环境造成很大影响 但海洋对排放物的消纳能力并不是无限的 海水淡化排放的浓海水盐度高 且 含有的污染物 如重金属 化学添加剂等 浓海水的物理性质 如温度 密度 与自然海水也有较大差别 浓盐水可能快速沉人海底并危害敏感的深海环境 影响大小取决于排放地的水力及地理因素 某些地区有较高的能量或水流交换 较快 化学物质不易聚集是理想的浓盐水排放区域 而某些封闭水域水流交换 慢 化学物质很难分散 稀释 如浓海水未经适当的处理而直接大量排放人海 将对海洋生态环境造成相当大的冲击 容易造成局部生态环境破坏 因此需要确保浓盐水的快速合理分散 以降低浓度差别 使它们对环境的 不利影响减小到最低程度 3 浓海水化学资源综合利用 3 1 浓海水化学的综合利用技术 浓海水化学资源主要是指包括盐 氯化钠 镁盐 钾盐和溴的四大主体要 素 这些都是我国化学工业的基础原料及重要产品 海水日晒制盐是我国的传统产业 该方法工艺简单 技术成熟 节能环保 生产成本低 但产品质量较差 产品海盐主要作为氯碱工业及纯碱的生产的原 料 日晒法至今仍是浓海水 海水 制盐最经济的方法 海水淡化与制盐的衔 接技术 已由天津科技大学和海晶集团合作研究成功 可以保证淡化浓海水日 晒制盐的质量符合工业盐国标要求 滩晒饱和卤水多效蒸发及热泵蒸发技术的 成