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水资源规划与管理课程论文

海水淡化工程的介绍与应用前景分析

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提交论文时期：2014年11月30日

中 国 · 重 庆
2014年11 月

海水淡化工程的介绍与应用前景分析
摘要：海水淡化技术是将海水中的盐和水分离的技术。作为一个海洋大国，我国水资源呈现总体缺乏，地区分布不均的情况；加之我国处于迅速发展阶段，水资源的可持续利用有助于经济的发展和保护生态环境。本文主要简述了海水淡化工程的发展国内外现状、原理、主要技术和发展前景。
关键字：海水淡化 国内外研究现状 海水淡化方法 发展前景
一、引言
水乃生命源泉，是人类赖以生存所不可或缺的资源，但是，随着现代社会的高速发展，经济的持续增长和生活的高质改善，牺牲的是我们生存的美好环境。工业化和都市化的发展迫使我们的环境的加剧恶化和资源的短缺，尤其是对水体的污染，目前淡水资源的短缺已成为仅次于全球气候变暖的世界第二大环境问题。据统计，目前人类生活用水每年以5%的速度增加,每15年用水总量就增加一倍，到2030年世界将会有三分之一人口面临淡水资源危机。我国被列为世界13个缺水国之一。我国水资源情况[1]：
⑴总量多但人均拥有量少，据统计我国淡水资源总量为2.8 万亿立方米，居世界第6位，但是人均淡水资源量为 2340m3仅为前苏联的1/7,美国的1/5，世界人均的1/4。
⑵我国水资源的地理分布极不均匀,总体上呈现南多地少,北少的态势。北方的人均水量甚至仅是南方人均水量的4分之一,亩均水量仅是南方的9分之一。
⑶我国年际水资源量和水资源的年度分配不平均,枯水年与丰水年差别大。
但是，我国是一个海洋大国，拥有约300万平方公里海洋面积和18000多公里长的海岸线,而海水淡化出水对环境副作用小，不受气候和季节的影响，由此，发展海水淡水化具有不可避免的趋势和良好的前景。海水淡化也称海水化淡、海水脱盐，是指将水中的多余盐分和矿物去除得到淡水的工序。《中国21世纪议程》,《中国海洋21世纪议程》把海水淡化技术和建立海水淡化示范工程并在有条件的地区推广,列为优先发展项目。
二、国内外海水淡化发展历程和现状
1. 国际海水淡化发展历程和现状
表 1 国际海水淡化发展大事记
年份
发展进程
公元前 1400 将海水通过简单蒸馏得到淡水
公元 200 简易的海水蒸馏装置开始出现，用于远航船上为船员提供淡水。
1560 世界上第一个陆地海水脱盐厂在突尼斯的一个海岛上建成
1675—1683 海水蒸馏淡化的专利在英国诞生
1872 智力研发出了世界首台太阳能海水淡化装置，日产 2 万吨淡水
1898 俄罗斯投产了本国第一家基于多效蒸发原理的海水淡化工厂，日产淡水达到 1230 吨
1954 电渗析海水淡化装置问世。
1957 R.S.Silver 和 A.Frankel 发明的多级闪急蒸馏法海水淡化技术（MSF）
1960 反渗透法海水淡化装置问世。
1975 低温多效海水淡化技术在原有多效蒸馏基础上进行改进
20世纪80年代 反渗透技术成为耗能最低，投资运行最快的海水淡化技术，
目前，海水淡化产业及装置已覆盖西亚、西班牙塞浦路斯、葡萄牙、希腊、意大利、印度、中国、日本和澳大利亚等世界150多个国家和地区。西亚是最大的市场,但发达国家和地区的市场也同样很大，美国占第2,中国为第6,日本为第7。[2]

图1世界海水淡化未来发展趋势
图1世界海水淡化未来发展趋势图，通过该图可知，世界海水淡水化市场在逐年增加。
2. 国内海水淡化发展现状
表 2 我国海水淡化发展大事记
年份
发展进程
1958 国家海洋局第二海洋研究所首先开展电渗析海水淡化的研究
1965 山东海洋学院进行反渗透膜的研究
1968 研制出第一台反渗透海水淡化器
1970 成立第一个海水淡化研究室
1974 完成百吨级多级闪蒸海水淡化（MSF）中试实验
1975 开始大中型陆用蒸馏装置的研究
1981 第一个日产 200 顿电渗析海水淡化站在西沙群岛建成
1984 国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心正式成立
1984 国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所成立
1987 引进 3000m3/dMSF 海水淡化装置
1997 浙江嵊泗镇建成首台 500m3/d 反渗透海水淡化站
2000 河北沧州建设 18000m3/d 反渗透苦咸水淡化厂
2003 山东荣成建成万吨级反渗透海水淡化示范工程
2003 河北黄烨发电厂引进 20000m3/d 多效蒸馏海水淡化装置
2004 首台我国自主知识产权的 3000m3/d 低温多效蒸馏海水淡化工程在山东黄岛2005 《海水利用专项规划》正式发布第一个指导性纲领文件
2007 辽宁红沿河核电海水淡化工程，我国首个核电站海水淡化系统，于 2010 年一期完成正式通水
2008 众和海水淡化公司出口印度尼西亚两台低温多效海水淡化设备，我国海水淡化技术开始走向国际 。

图2 1990-2011 年国内淡化装机容量走势图
图2为我国淡化装机容量走势图，数据显示我国海水淡化产业虽然起步晚，但在国家大力支持下，近 20 年以来国内淡化装置容量增长趋势。仅在“十一五”期间我国海水淡化产能实现年近 70%的速度增长率，截止到 2011 年底，我国已建成的海水淡化装置总产水量近 72 万立方米/日。
二、 海水淡化研究方法
海水淡化是一种实现海水中的盐分和水分分离，最终得到淡水和浓缩盐水的技术和过程。目前已研发出 20 余种海水淡化技术，根据原理对不同可分为热法和膜法两大类，热法主要包括低温多效（ME）、多级闪蒸（MSF）、压汽蒸馏（VC）、露点蒸发、太阳能等技术，膜法主要包含反渗透法（RO）、电渗析法（ED）等，多年的实践表明，真正实用的海水淡化只有MSF、ME、VC、ED 和 RO 等方法[3]。由图3知反渗透法(ＲＯ)已占到61.1%,多级闪蒸(ＭＳＦ)占到25.7%,多效蒸馏(ＭＥＤ)占8.3%,

图3 各种淡水方法在世界上的应用情况
我国海水淡化采用最多的是电渗析技术，其次是反渗透技术。下面针对这2种方法进行简要阐述[4]：
1.电渗析技术
电渗析（ED）是膜分离技术的一种，是电解和渗析扩散过程的组合，其工艺原理如图3所示。

图3. 双膜电渗析槽原理
利用质子交换膜的选择透过性，在外加直流电场作用下，阴、阳离子分别往阳极和阴极移动，它们最终会于交换膜，如果膜的固定电荷与离子的电荷相反，则离子可以通过，如果它们是相同的，则离子被排斥，从而可以制得淡水。电渗析适用于含盐量小于20 g/L的苦咸水的淡化，由于其耗能很大，大型海水淡化装置基本上不采用电渗析法。此外，电渗析只能除去水中的盐分，而对水中有机物不能除去，某些高价离子和有机物还会污染膜。电渗析运行过程中易发生浓度极差化而产生结垢，这些都是电渗析技术较难掌握而又必须重视的问题。
2.反渗透技术
反渗透（RO）技术属于一种膜分离技术，反渗透膜是一种用特殊材料和加工方法制成的、具有半透性能的薄膜。它能够在外加压力作用下使水溶液中的某些组分选择性透过,从而达到淡化、净化或浓缩分离的目的。利用选择性半透膜装置,在海水一边施加一个大于渗透压的压力时,海水中的水分子通过渗透膜进入淡水一边,海水中的溶质被渗透膜隔离使得海水浓度增加。工作原理如图4所示。

图4反渗透原理
当连通器盐水侧对液体压力P大于渗透压H时，盐水中的水分子将通过半透膜进入淡水侧而溶质仍被半透膜隔离于盐水侧，致使盐水浓度加大，这个过程与自然界正常渗透过程相反，称为反渗透。为使反渗透装置正常运行，盐水侧压力必须高于渗透压 H，一般在 4～7MPa 范围内。反渗透装置投资省、能耗低、建设周期短、易于自动控制，适用于海水、苦咸水大中型规模的淡化工程，装置体积小，设备及操作简单，且在常温下操作，设备的腐蚀和结垢程度较轻。存在的问题是膜的寿命和抗污染，反渗透膜、高压泵、能量回收装置需进口，进口膜使用3～5年后更换率为5%。
四、海水淡化应用前景
海水淡水化正处于高数发展的阶段，国内外大量科研工作者从事这方面的研究，出现了许多好的研究成果，目前主要关注与海水淡化经济效益和绿色环保。主要有以下几方面：
⑴发展以水电联产、热膜耦合为代表的一体化整合海水淡化技术。
水电联产是指海水淡化水和电力联产联供。由于海水淡化成本在很大程度上取决于消耗电力和蒸汽的成本，水电联产可以利用电厂的蒸汽和电力为海水淡化装置提供动力，从而实现能源高效利用和降低海水淡化成本。国外大部分海水淡化厂都是和发电厂建在一起的，是当前大型海水淡化工程的主要建设模式。
⑵研究海水淡化与新型清洁、可再生能源耦合技术
无论是蒸馏法还是反渗透海水淡化技术,都需要以消耗能源作为代价来换取淡水。近年来,以风能、太阳能为代表的可再生能源已经在全球各个国家得到广泛应用,此外国内外大量研究以潮汐能、波浪能、静水压、温差能等海洋能的海水淡化技术 [5～7]。
⑶研发不同类型的小型淡化装置,为海岛、舰船、石油平台配套。
水资源短缺是海岛开发建设的瓶颈,海水淡化是解决海岛水资源短缺的根本途径。研究发展不同技术类型的小型海水淡化装置,是加强国防、维护国家权益和加快海岛开发建设及经济发展的重要需求。另外,小型淡化装置还用于舰船、石油钻井平台等场合,为远海资源开发、深海油气探测、海洋科学考察、海洋维权等提供充足淡水资源[8]。
参考文献：
[1] 何季民.我国海水淡化事业基本情况[P].电站辅机，2002（2）:3543
[2] 朱淑飞等. 国内外海水淡化发展历史及现状分析[J],水处理技术，2014（7）：12-14
[3] 解利昕等. 海水淡化技术现状及各种淡化方法评述[J]. 化工进展, 2003（22）:1081～1084
[4]高艳玲等.海水淡化技术评述与成本分析. 工程与技术，2005（2）：28-29
[5]KALOGIPOU SA . seawter desalination using renewable energy sources[J]progress in energy and combustion science,2005(31):242-281
[6] SERGIOMA, GERARDOH. An applied research program on water desalination with renewable energies[J]. American Journal of Environmental Sciences,2008,4(3):204-211
[7] PAULSEN K, HENSELF. Design of an autarkic water and energy supply driven by renewable energy using commercially available components[J]. Desalination,2007,203:455-462
[8] 王俊珍.船舶海水淡化技术及应用[Ｊ].江苏船舶,2009,2:18-20